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WSN für das Bauwerksmonitoring – Teil 1

Wahl des Funkprotokolls

13. Oktober 2020, 11:39 Uhr   |  Klaus Dembowski

Wahl des Funkprotokolls
© Krunja | Shutterstock

Funksensornetzwerke (WSN) sind prädestiniert für die Erfassung von Umweltdaten oder die kontinuierliche Messdatenerfassung bei Maschinen, Anlagen und Bauwerken. Doch wie geeignet sind die verschiedenen Funkprotokolle? Im ersten Schritt werden Bluetooth Mesh, Dust Network und IQRF untersucht

Im Industrie-4.0-Kontext spielt die vorausschauende Instandhaltung oder Wartung − Predictive Maintenance − eine wichtige Rolle, um notwendige Wartungsintervalle optimieren und auftretende Schäden frühzeitig erkennen zu können. Was für Maschinen und Anlagen angedacht und auch bereits umgesetzt wird, ist bei Bauwerken noch längst nicht so weit gediehen.

Um beispielsweise die Tragfähigkeit von Bauwerken, wie etwa die von Brücken, zu gewährleisten, werden diese durch entsprechende Fachkräfte turnusmäßig kontrolliert und anschließend, wenn nötig, saniert (Bild 1). Eine vorausschauende Wartung und Sanierung findet hier in der Regel nicht statt. Stattdessen werden Mängel erst dann behoben, wenn diese sichtbar werden, was bei Brücken zu katastrophalen Unglücken führen kann.

Brückenuntersuchungen können sehr aufwendig und damit teuer werden
© dpa

Bild 1. Brückenuntersuchungen können sehr aufwendig und damit teuer werden.

Laut Angaben der Bundesanstalt für Straßenwesen existieren in Deutschland über 36.000 Brücken an Autobahnen und Fernstraßen, wovon ein Großteil älter ist als 40 Jahre, und etwa 12 % befinden sich laut Bundesverkehrsministerium in einem nicht ausreichenden, beziehungsweise ungenügenden, Bauwerkszustand. Immer häufiger werden Geschwindigkeitsbegrenzungen und Fahrzeugmindestabstände für Brücken ausgesprochen oder sie werden gleich komplett für den Verkehr gesperrt, weil sie nicht mehr sicher sind.

Aktuell kontrollieren die Prüfer regelmäßig den Zustand einer Brücke auf Standfestigkeit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit. Diese Prüfungen variieren je nach Anforderung in ihrer Gründlichkeit und dem notwendigen Aufwand, der ganz beträchtlich sein kann, wenn spezielle Gerüste, Plattformen und Messsysteme angebracht werden müssen, was dementsprechend kostspielig ist. Demgegenüber sind Sensorsysteme, die ein kontinuierliches Monitoring einer Brücke durchführen, weitaus kostengünstiger. Selbst wenn diese eine konventionelle Brückenuntersuchung nicht überflüssig werden lassen, können die Sensordaten Veränderungen am (längerfristigen) Brückenverhalten detektieren, was zu effektiven Kontroll- und Wartungsintervallen führt.

Für Brückenneubauten existieren Monitoringsysteme, die von vornherein entsprechende Sensoren integrieren, wie etwa beim Projekt Intelligente Brücke [1]. Zurzeit existieren noch keine nennenswerten und zudem kostengünstige Sensorsysteme, um bereits bestehende Bauwerke mit einer Monitoring-Funktion nachzurüsten.

Energieautarke Funksensorknoten, die sich selbstständig in einem vermaschten Netzwerk organisieren, lassen sich jedoch an existierenden Maschinen oder Bauwerken ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Verkabelung einfach und mit wenig Aufwand installieren und in Betrieb nehmen. Idealerweise sind die Funksensorknoten mit einer Energy-Harvesting-Funktion, wie etwa Energiegewinnung durch Vibration, ausgestattet, sodass kein Austausch von Batterien erforderlich wird.

Das passende Funknetzwerk – Bluetooth Mesh

Vermaschte Funknetzwerke (Wireless Sensor Network – WSN) gibt es bereits seit vielen Jahren in unterschiedlichen Ausführungen, wobei Bluetooth Mesh vergleichsweise neu ist. Es basiert auf dem etablierten Bluetooth Low Energy (BLE) ab Version 4.0. Die älteren Versionen bieten lediglich eine Point-to-Point- oder auch eine Broadcast-Kommunikation.

Bluetooth Mesh erweitert diese Funktion, indem alle Netzwerkteilnehmer prinzipiell gleichberechtigt sind. Für die Datenübertragung kommt das Managed Flooding zum Einsatz. Ein Verfahren, bei dem ein Datenpaket über einen oder mehrere Knoten an alle benachbarten Knoten gesendet wird, die dann ihrerseits das Datenpaket an alle benachbarten Knoten senden, mit Ausnahme des Knotens, von dem sie die Daten zuvor empfangen haben.

Dieser Sendeprozess geschieht so lange, bis alle Knoten im Netzwerk das Datenpaket erhalten haben. Verarbeitet wird das Datenpaket aber nur von dem Knoten, an den es adressiert ist. Weil bei Bluetooth Mesh prinzipiell alle vorhandenen Knoten aktiv sind, ist dies für eine möglichst geringe Leistungsaufnahme ungünstig, weil alle Knoten solange in Betrieb sein müssen, bis das Datenpaket angekommen und verarbeitet worden ist.

Über die BlueNRG-App für Android lassen sich Knoten einbinden und ihre Daten anzeigen
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Bild 2. Über die BlueNRG-App für Android lassen sich Knoten einbinden und ihre Daten anzeigen.

Für die Entwicklung eigener Bluetooth-Mesh-fähiger Knoten bietet beispielsweise die Firma STMicoelectronics entsprechende Evaluation Boards an, die auf den BlueNRG-ICs basieren. Für das im Folgenden beschriebene Projekt zum Bauwerksmonitoring wurden die Module STEVAL-IDB008 V2 (Blue NRG2), die mit einem STM32L151CBU6 bestückt sind, getestet. Als Entwicklungsumgebung [2] stellt STM das Bluetooth Mesh SDK zur Verfügung sowie Softwarebeispiele und auch je eine App für Android (Bild 2) und iOS. Die App übernimmt keinerlei Steuerungsfunktion im Netzwerk, sondern ist lediglich zum Anzeigen von Sensordaten des Evaluation Boards sowie zum Einbinden (Provisioning) neuer Teilnehmer zuständig.

Etabliertes Funksensornetzwerk − Dust Network

Das Dust Network ist bereits vor über 20 Jahren als stromsparendes vermaschtes Funknetzwerk entwickelt worden. Dust Network wurde im Jahre 2011 an Linear Technology verkauft und gehört nun zu Analog Devices. Die jetzt als Smart Mesh IP bezeichnete Funktechnik arbeitet im 2,4-GHz- Frequenzband mit mehreren Unterkanälen und besteht aus den Motes genannten Funkknoten und einem Manager, der das Netzwerk konfiguriert und verwaltet.

Die Kommunikation erfolgt zeitsynchron in Zeitschlitzen (Time Slots), wobei das von der Firma Dust Networks entwickelte Time Synchronized Channel Hopping (TSCH) verwendet wird. Dadurch sind die Zeitfenster der einzelnen Motes im Netzwerk auf Mikrosekunden genau definiert, was positive Auswirkungen auf den Energiebedarf der Knoten hat. Denn für jeden einzelnen Mote sind die Zeiten für das Senden und Empfangen bekannt, sodass sie in ihren Ruhezeiten in einen Schlafmodus (Doze State) schalten können.

Die Motes senden relevante Statistiken über den Zustand des aktuelle Netzwerks (Health Reports) an den Manager, damit er auf den Ausfall einzelner Motes, auf Störungen oder auch auf Positionsänderungen von Motes reagieren kann. Durch diese Anpassungsfähigkeit ist es möglich, auch den Datenverkehr im Netzwerk zu reduzieren, redundante Pfade zu deaktivieren und die jeweilige Energiereserve der Motes zu berücksichtigen, um etwa die Stromaufnahme bei Motes mit schwacher Batterie durch verringertes Routing und längere Intervalle im Schlafmodus zu senken. Damit kann die mögliche Betriebszeit des gesamten Funknetzwerks erhöht werden.

Komponenten für das Dust Network können sowohl als Knoten (Mote) oder Manager eingesetzt werden
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Bild 3. Komponenten für das Dust Network können sowohl als Knoten (Mote) oder Manager eingesetzt werden.

Im Prinzip kann jedes Dust-Network-kompatible Modul entweder als Mote oder als Manager betrieben werden. Traditionell basieren die Funkmodule auf einem LTC5800-SoC (ARM Cortex M3 + 802.15.4e-Transceiver), wie etwa beim etablierten Evaluation Board DC9003 oder dem neueren LTP5901 (Bild 3), die beide von Analog Devices stammen.

Das Smart Mesh IP Starter Kit (DC9021B) zählt mit fast 3000 Euro nicht gerade zu den preisgünstigen Systemen, enthält aber fünf Motes sowie Netzwerkmanager, USB-Zugangsknoten, Schnittstellenmodul und Programmieradapter. Die notwendige Dokumentation und Entwicklungssoftware muss sich der Entwickler allerdings auf den Internetseiten von Analog Devices zusammensuchen.

Als Start in die Thematik sei auf [3] verwiesen. Mittlerweile werden auch von anderen Herstellern, beispielsweise von IOTEAM, entsprechende Module angeboten, wie Dusty oder ein Arduino- kompatibles Modul mit der Bezeichnung Dustino [4] − im Vertrieb von Arrow −, was den Einstieg maßgeblich erleichtert, weil die Applikationsentwicklung in der Arduino-Entwicklungsumgebung stattfinden kann.

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