DIAMANT - Zuverlässigkeit für hochsensible langlebige komplexe verteilte Anwendungen - Frankfurt/Oder

Die InnoProfile-Initiative "TANDEM" (2007-2012) will ihr regionales Innovationsprofil mit dem folgenden Vorhaben stärken und weiterentwickeln:

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

 

Die InnoProfile-Transfer-Initiative „DIAMANT – Zuverlässigkeit für hochsensible langlebige komplexe verteilte Anwendungen“ strebt sowohl eine Vereinfachung des Softwareentwicklungsprozesses für verteilte elektronische eingebettete Systeme mit einer langen Lebensdauer als auch eine Erhöhung ihrer Zuverlässigkeit und Energieeffizienz an. Solche Systeme sind in der Regel in ein anderes technisches System für dessen Regelung, Steuerung oder Überwachung integriert und dadurch gekennzeichnet, dass sie über eng begrenzte Hardwareressourcen und teilweise sehr unterschiedliche Konfigurationen hinsichtlich Prozessor, Speicher und Betriebssystem verfügen. Dadurch ist bei der Softwareentwicklung eine Wiederverwendung existierender Softwaremodule auf Grund unterschiedlicher Schnittstellen der Hardware und/oder des Betriebssystems nur schwer möglich. Anpassungen bei einer Portierung der Software können dann zu Fehlern führen, die die Zuverlässigkeit des Systems bedrohen.

Die Zuverlässigkeits- und Energieeffizienzbetrachtungen innerhalb der Initiative fokussieren sich stark auf Sensor- und Aktuatornetze, deren verteilte Komponenten drahtlos miteinander kommunizieren. Probleme bei der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit treten in solchen Systemen insbesondere durch den Batteriebetrieb der einzelnen über Funk miteinander kommunizierenden Komponenten auf. Dabei verhalten sich hohe Zuverlässigkeit und geringer Energieverbrauch komplementär zueinander, weil eine höhere Zuverlässigkeit durch Redundanz erreicht wird, was wiederum einen höheren Energieverbrauch bedingt und damit auch die angestrebte hohe Lebensdauer verkürzt. Deswegen ist die Entwicklung energieeffizienter und zuverlässiger Protokolle auf mehreren Kommunikationsebenen wichtig und erfordert eine sorgfältige Abwägung zwischen Energieverbrauch und Zuverlässigkeit. Künftig ist aber auch zu erwarten, dass die Komplexität der Hardwarekomponenten in einem Sensorknoten durch stetig steigende Integrationsdichten zunimmt, wodurch neben der Kommunikation auch die Hardware selbst unzuverlässiger werden kann. Für langlebige eingebettete Systeme können in Zukunft deshalb auch Fehlertoleranzmaßnahmen zunehmend wichtiger werden, die mit Hardwarefehlern umgehen können und erlauben, wenigstens Teilfunktionen einer defekten Komponente aufrechtzuerhalten, um teure Wartungen zu minimieren und Wartungsintervalle zu verlängern.

Die Ziele

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Cross-Plattform für Sensorknoten. Eine Cross-Plattform stellt eine vereinheitlichte Schnittstelle zu verschiedenen Betriebssystemen für Sensorknoten bereit. Dadurch können Anwendungen, die nur die Schnittstellen der Cross-Plattform verwenden, leicht auf Sensorknoten mit einem anderen Betriebssystem portiert werden.

Die einfache Wiederverwendbarkeit von Nutzeranwendungen wird damit sichergestellt. Dies schließt beispielsweise auch die Wiederverwendung verschiedenster Protokolle ein, die eine fehlertolerante und energieeffiziente Datenübertragung zwischen den Sensorknoten eines Netzwerkes erlauben. Außerdem erlaubt die Cross-Plattform auch die Kommunikation verschiedener Anwendungskomponenten auf demselben Sensorknoten über die standardisierten Schnittstellen. Dadurch können einzelne Anwendungskomponenten leicht ausgetauscht werden. Dies erlaubt das Zusammensetzen von Anwendungen aus vorhandenen Komponenten, was die Softwareentwicklung ebenfalls vereinfacht und weniger fehleranfällig macht.

Für die Evaluierung des Ansatzes sollen reale Anwendungen von Kooperationspartnern ausgewählt werden. Aus den Anforderungen dieser Anwendungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Energieeffizienz, Wartung und Diagnose können Anforderungen an die Schnittstellen der Cross-Plattform abgeleitet und abschließend eine Umsetzung mit der Cross-Plattform demonstriert werden. Durch die leichte Portierbarkeit der entwickelten Module lassen sich diese in zahlreichen anderen Anwendungen nachnutzen.

Die gesammelten Erfahrungen und erarbeiteten Methoden der Nachwuchsforschergruppe werden in Workshops, Seminaren und auf Informationsveranstaltungen an die Projektpartner und den wissenschaftlichen Nachwuchs aus der Region weitergegeben. Die Einbeziehung des wissenschaftlichen Nachwuchses ist durch eine Stiftungsprofessur gesichert, die für die Leitung des Projektes verantwortlich ist und an der Universität Potsdam das Fachgebiet der zuverlässigen und energieeffizienten Sensornetzte vertritt.

Die thematischen Schwerpunkte

Das InnoProfile-Transfer-Projekt betreibt einerseits grundlagenorientierte Forschung, um beispielsweise Fehlertoleranztechniken für stark ressourcenbeschränkte Systeme zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Andererseits wird durch eine angewandte Forschung dieses Grundlagenwissen an ausgewählten Problemstellungen in die Praxis übertragen. Die thematischen Schwerpunkte dabei sind:

  1. Fehlertolerante und energieeffiziente Architekturen für stark ressourcenbeschränkte eingebettete Systeme: Erzielte Ergebnisse haben nicht nur für Sensornetze Bedeutung, sondern auch für andere eingebettete Systeme.
  2. Fehlertolerante und energieeffiziente Protokolle: Hier werden neben energieeffizienten und zuverlässigen Protokollen zur Datenübertragung in einem Sensornetz auch Protokolle, die eine Integration in andere bestehende Netzwerkstrukturen erlauben, sowie Protokolle für die Wartungs- und Diagnosefunktion des Sensornetzes selbst entwickelt.
  3. Wartungs- und Diagnosefunktionen: Auf der Grundlage der entwickelten Architekturen und Protokolle werden Wartungs- und Diagnosefunktionen für das verteilte System selbst entwickelt, um dessen Wartungsaufwand zu minimieren und eine höhere Zuverlässigkeit zu bieten.
  4. Integration aller Konzepte in eine Cross-Plattform: Dadurch wird die einfache Protierbarkeit der Konzepte sichergestellt und die Nachhaltigkeit des Ansatzes gesichert.
  5. Transfer des erworbenen Know-hows in die regionale Wirtschaft.

Die Partner

Die vom BMBF geförderte Nachwuchsforschergruppe wird durch die Stiftungsprofessur „Zuverlässige und Energieeffiziente Sensornetze“ angeleitet. Diese Professur ist als gemeinsame Berufung zwischen dem IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik Frankfurt (Oder) und der Universität Potsdam für die Dauer von fünf Jahren eingerichtet und von den folgenden, als Stifter fungierenden regionalen Unternehmen finanziert:

  • MEYTEC GmbH Informationssysteme
  • Philotech GmbH
  • Green Way Systems GmbH

Neben diesen Partnern gibt es auch eine enge Kooperation mit dem Hochschulgebäudemanagement der Universität Potsdam, um Projekte im Bereich „Smart City“ und „Smart House“ zu bearbeiten.

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. Mario Schölzel
IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik
Im Technologiepark 25
15236 Frankfurt (Oder)
Tel.: 0335 5625-405
Fax: 0335 5625-671
E-Mail: schoelzel[at]ihp-microelectronics.com

Berichterstattung aus dem "Blickpunkt" finden Sie hier.

Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt TANDEM finden Sie hier.