Sens4U - Drahtlose Sensornetze zur Verbesserung von Umweltmonitoringsystemen - Frankfurt (Oder)

Die WK-Potenzial-Initiative

Im Rahmen der WK-Potenzial-Initiative Sens4U soll eine neuartige Plattform für die Entwicklung von Umweltmonitoringsystemen entwickelt werden. Diese Plattform soll die Verbindung zwischen Sensornetz-Experten und Umweltmonitoring-Experten darstellen und soll es ermöglichen schnell effiziente und anwendungsspezifische Lösungen für solche Monitoring-Systeme zu generieren. Die Ziele umfassen die Konzeption der Gesamtplattform und eines Baukasten-Konzepts, den Entwurf einer Methodologie für die Beschreibung einer Anwendung, den Entwurf eines Modulauswahl-Konzepts, die prototypische Realisierung und Tests an ausgewählten Anwendungsfällen.
 

Die Ziele

Der Bereich der Umweltsensorik ist weltweit ein wachsender Markt. Als Beispiele seien hier das Tsunami-Warnsystem im indischen Ozean, die Emissionsüberwachung von Kraftwerken oder chemischen Betrieben oder die Überwachung von Kläranlagen und Wasserspeichern genannt. Alle diese Anwendungen bedürfen flexibler drahtloser Sensornetze, die die ermittelten Werte direkt verarbeiten oder über ihre drahtlosen Kommunikationsschnittstellen einem Server zuführen.

In der Region der Lausitz stellen derzeit die Überwachung von CO2-Speichern (CCS-Technologie), die Überwachungsaufgaben im aktiven und Sanierungsbergbau sowie die Überwachung im Umfeld von Tagebauen hochaktuelle Themen dar. Die Rekultivierung dient nicht nur dem biologischen Neuaufbau eines stabilen Ökosystems, sondern bedingt auch eine Formung neuer Kulturlandschaften, die beispielsweise für Touristen Relevanz besitzen. In diesen Kulturlandschaften ist die Sicherheit der Personen ein sehr hohes Ziel, das aber durch die Formung der Landschaft, Setzungsfließen, Grundbrüche, Bodensetzung und -sackungen, Bergrutsche, Uferabbrüche etc. noch ständig gefährdet wird.

Der Einsatz von Umweltmonitoring-Netzen ermöglicht eine Früherkennung von Gefahren und den Einsatz prophylaktischer Maßnahmen zur Gefahrenabwehr. Beispielsweise können sehr zeitnah Warnungen erzeugt und verbreitet werden, so dass sich trotz einiger remanenter Gefahren Gefährdungssituationen vermindern lassen. Durch die großen Tagebaue und die notwendigen Rekultivierungsmaßnahmen sind großräumige Monitoring- und Kontrollnetze erforderlich. Zusätzlich müssen auch nach der aktiven Tagebauperiode große technische Anlagen kontinuierlich überwacht werden. Drahtlose Sensornetze, die sich für solche Überwachungsaufgaben besonders eignen, bestehen im Wesentlichen aus intelligenten Sensorknoten, zusätzlicher spezifischer Sensorik (z.B. Wasserstands-, Feuchte-, pH-Wert-, Temperaturmessung etc.), drahtlosen oder drahtgebundenen Kommunikationseinrichtungen sowie einem Energieversorgungssystem, das selbst aus einer Primär/Sekundärbatterie, Energie-Harvesting-Komponenten, Umformern und Energiemanagement-Komponenten besteht.

Das größte Alleinstellungsmerkmal ist das Baukastenprinzip. Mit diesem Baukasten kann sich der Anwender ohne tiefe Fachkenntnisse ein effizientes Sensornetzwerk konzipieren und selbst aufbauen. Er braucht sich keine Gedanken um Schnittstellen, Anpassungen oder Formfaktoren zu machen. In dem geplanten Konfigurationsmodul werden wesentliche Parameter wie Reichweite (Freiland), Reichweite (Wald), Sensortypen, Standzeiten u.a. angegeben. Das System erstellt die günstigste Konfiguration und schlägt alle Module des Baukastens vor; zusammenstecken, anschalten und Daten einlesen. So stellen wir uns das Szenario des absolut neuartigen Systems vor. Ein System, das nach unserem Kenntnisstand so weltweit noch nicht vorhanden ist.

Bis heute gibt es keine Standardprodukte für ein Umweltmonitoring und es ist Ziel des Projekts, eine Plattform zu schaffen, auf der solche Produkte realisiert und eine entsprechende Vermarktungskette aufgebaut werden kann.
 

Die Projekte

Das Sens4U Projekt ist in sieben Arbeitspakete unterteilt. Das Hauptziel von Sens4U ist die Definition und Realisierung einer modularen Sensornetzplattform für Umweltmonitoring-Netze. Die Spezifikation der Architektur dieser Plattform erfolgt in AP1: Spezifikation der PT-Architektur. Diese Plattform soll sich vor allem dadurch von bisherigen Ansätzen abheben, dass sie es Nicht-Experten erlaubt, drahtlose Sensornetze, die aus heterogenen Komponenten bestehen können, zumindest im Groben zu entwerfen. Hierzu soll ein halbautomatischer Entwurfsprozess entwickelt werden, der auf Basis eines beliebigen Anwendungsszenarios konkrete technische Anforderungen ableitet (AP2: Requirements Engineering für Umweltmonitoring-Anwendungen). Die Module, die in diesem Entwurfsprozess Verwendung finden und im Rahmen von Sens4U untersucht und prototypisch realisiert werden, sind:
 

  • ein modularer drahtloser Sensorknoten für die Umweltüberwachung inklusive des Betriebssystems. Der Sensorknoten selbst kann mit einem Harvesting-Modul für die autonome Energieversorgung ausgerüstet werden bzw. besitzt Komponenten, um von einem externen Harvesting-Modul versorgt zu werden. Eine Repeaterfunktionalität soll ebenfalls integriert sein (AP3: Design/Realisierung Sensorknotenplattform).
  • ein externer Repeater ausschließlich zur Vergrößerung der Reichweite mit externer bzw. interner autonomer Energieversorgung (AP3)
  • ein Gateway-Knoten zur Verbindung mit dem Internet (AP3)
  • Nutzung von mobilen Geräten zur direkten Vor-Ort-Inspektion von Sensorknoten und Repeater (AP4: Netzwerk- und Systemmanagement)
  • ein Steuerprogramm zur Überwachung von Monitoring-Netzen (AP4)
  • eine Testumgebung für Hardware- und Softwarekomponenten des drahtlosen Sensornetzwerkes (AP4)
  • ein Sicherheits- und Zuverlässigkeitskonzept zur Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit für Menschen und Umwelt (AP4)
  • externe Harvesting-Module als auch Harvesting-Komponenten für den Sensorknoten zur wahlweise externen bzw. integrierten autonomen Stromversorgung von Sensorknoten und Repeater (AP5: Power Management)
  • eine Programmierumgebung für Umweltfachleute zur einfachen Programmie-rung des Sensornetzes für Umweltmonitoring-Anwendungen (AP6: Entwicklung Anwendungssoftware)
  • ein Auswerteprogramm zur statistischen und grafischen Auswertung der Messergebnisse (AP6).

Zusätzlich soll als Teil von AP1 ein Expertensystem zur Spezifikation von Umweltmonitoringsystemen realisiert werden, das den bereits erwähnten Entwurfsprozess unterstützt. So wird es möglich, schnell und mit wenig Aufwand Monitoring-Netze zu projektieren und auf der Basis der Plattformkomponenten zu realisieren. In AP7: Demonstrator soll die Plattform prototypisch realisiert werden.
 

Schematische Darstellung der Sens4U-Repositories (Hard- und Softwareprodukte) sowie des Entwurfsablaufes inklusive der Auswahl der Module und ihrer Abbildung auf Netzwerkkomponenten in einer exemplarischen Netzwerkarchitektur.
Schematische Darstellung der Sens4U-Repositories (Hard- und Softwareprodukte) sowie des Entwurfsablaufes inklusive der Auswahl der Module und ihrer Abbildung auf Netzwerkkomponenten in einer exemplarischen Netzwerkarchitektur.


Abbildung 1 illustriert das Sens4U-Konzept. Darin enthalten ist die Ableitung der Anforderungen aus den Anwendungsszenarien, die werkzeuggestützten Auswahl der Module aus dem Sens4U-Repository und deren Abbildung auf Kommunikationsgeräte in einer exemplarischen Netzwerkstruktur. So entsteht aus den individuellen Modulen (Einzelprodukten) eine Plattform, die eine flexible Anpassung an eine Vielzahl von Monitoring-Aufgaben, insbesondere aber großflächige Überwachungen mit hoher Messdichte, die im Bereich des Umweltmonitorings häufig vorkommen, ermöglicht.

 

Die Partner

  • IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik GmbH
  • Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Fakultät 1, Lehrstuhl Verteilte Systeme/Betriebssysteme und Fakultät 4, Lehrstuhl für Hydrologie und Wasserwirtschaft
  • GST Gesellschaft für System- und Tankanlagentechnik mbH
  • Philotech GmbH
  • Das Landschaftsökologische Planungsbüro BIOM
  • LUG Engineering GmbH

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer
Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik GmbH
Im Technologiepark 25
15236 Frankfurt (Oder)
Tel: 0335 5625-342
Fax: 0335 5625-671
E-Mail: kraemer[at]ihp-microelectronics.com


Laufzeit: 01.04.2012-31.03.2014