Selbstorganisierende mobile Sensor- und Datenfunknetze

(Self-Organizing Wireless Sensor and Data Networks)

Zuverlässige drahtlose Sensor- und Datenfunknetze, die sich selbst organisieren und mit Energie versorgen, sind der Schlüssel zu flächendeckenden Informationen über zahllose technische und biologische Systeme. Sie werden vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen. Auch im Hinblick auf wirtschaftliche Fragestellungen wird der so erlangte Wissenszuwachs künftig immer wichtiger.

Wissen ist Macht. Im technisch-wissenschaftlichen Sinne verschafft man sich Wissen, indem man beispielsweise Bauteilzustände oder Umweltgrößen mittels Sensortechnik misst. Je mehr Informationen man auf diese Weise zusammenträgt, desto genauer wird das jeweils gewünschte Bild. In der Praxis sind die Einsatzmöglichkeiten von Sensortechnik allerdings noch häufig eingeschränkt – Kabel zur Energieversorgung oder kurzlebige Batterien, die schiere Größe und nicht zuletzt zu hohe Kosten für die Sensoren verwehren heutzutage interessante Möglichkeiten und zukunftsweisende Anwendungsbereiche.

Genau hier setzt die Arbeit des Forschungsschwerpunkts „Selbstorganisierende mobile Sensor- und Datenfunknetze”, kurz SomSed, an. Ziel der zahlreich an SomSed beteiligten TUHH-Institute ist es, die Grundlagen und die angewandte Technik für eine dauerhafte und flächendeckende messtechnische Erfassung physikalischer und biologischer Messgrößen inklusive der zugehörigen Signalauswertetechnik durch drahtlose Sensornetze zu erforschen.

Diese Netze bestehen aus stationären oder mobilen Sensorknoten, in denen auf kleinstem Raum Messtechnik, Aktuatoren, eine Datenverarbeitungseinheit, die Energieversorgung und eine drahtlose Funkschnittstelle integriert sind. Eingesetzt vor allem auch an unzugänglichen Stellen, wie etwa im Fahrwerk eines Flugzeuges, kann für eine Vielzahl von Phänomenen eine deutlich höhere Ortsauflösung erreicht werden, als sie bisher möglich war. Die Knoten können eigenständig Berechnungen durchführen – und so die gemessenen Daten sofort intelligent weiterverarbeiten.

Im Flugzeug könnte ein solches, sich selbst mit Energie versorgendes, drahtloses Sensornetzwerk unter anderem den Zustand und die Funktion der zahlreichen Aktuatoren, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Kabine und die Flügel- und Rumpfintegrität überwachen. Hier kommen gleich mehrere Vorteile zum Tragen: Es werden keine Kabel für die Energieversorgung benötigt, was zum einen Gewicht und damit letztlich Treibstoff einspart – zum anderen einen schnelleren und einfacheren Einbau ermöglicht. Weiß man zu jeder Zeit um die Bauteilzustände, wird es möglich, sie erst dann zu ersetzen, wenn es wirklich nötig ist – und muss sie nicht, wie heutzutage üblich, in regelmäßigen zeitlichen Abständen auf Verdacht überprüfen und austauschen. Das spart Zeit und Geld.

Ebenso denkbar ist ein hochdynamisches Verkehrsüberwachungssystem, bei dem jedes Auto mit mehreren Sensoren ausgerüstet zu einem mobilen Knoten in einem Sensornetz wird. Weitere potenzielle Einsatzgebiete liegen in der Umweltüberwachung, etwa in einem Chemiewerk – oder als Frühwarnsystem für Vulkanausbrüche, Waldbrände und andere Naturkatastrophen. Auch für medizinische und maritime Systeme sowie in den Bereichen Logistik und Robotik eröffnen sich vielfältige neue Möglichkeiten.

Die neuartigen drahtlosen Sensornetze werden nicht nur deutlich mehr Informationen als bisher liefern können, sondern auch eine große wirtschaftliche Bedeutung haben – insbesondere dort, wo die Sensorik in einer messtechnisch komplizierten und unfreundlichen Umgebung eingesetzt wird oder eine Verkabelung sehr aufwändig oder unmöglich ist. Der Witterungsbeständigkeit, der Robustheit und der eigenständigen Energieversorgung der Sensorknoten gilt daher im Forschungsschwerpunkt SomSed ebenfalls ein besonderes Augenmerk. Angestrebt wird eine Mindestlebensdauer von zehn Jahren. Energie für ihren Betrieb sollen die Knoten mittels Energy-Harvesting-Methoden erzeugen, indem sie unter anderem Vibrationen, Wärme oder Licht in Strom wandeln.

Da die potenziellen Einsatzszenarien und die Größe der Netze eine manuelle Überwachung und Steuerung weitgehend ausschließen, müssen die betrachteten Netze ihre Funktion auch bei partiellen Fehlern ohne externe Eingriffe gewährleisten können. Die theoretische Grundlage hierzu ist das Konzept der Selbstorganisation, das heißt, die struktur- und verhaltensgebenden Einflüsse gehen von den Elementen des sich organisierenden Systems selbst aus. Auf eine zentrale Steuerungsinstanz wird verzichtet.

Die Vision, die der Forschungsschwerpunkt verfolgt, ist klar: flexibel einsetzbare und über lange Zeit zuverlässig und autark arbeitende, drahtlose Sensornetze mit tausenden Knoten. Der Ansatz des Forschungsschwerpunkts ist damit in seiner wissenschaftlichen Vielfältigkeit und in der Größe deutschlandweit einmalig.

Homepage: https://somsed.tu-harburg.de/