Energieautarker drahtloser Sensor montiert am Leiterseil
© Fraunhofer IMS
Energieautarker drahtloser Sensor zur Leitungsüberwachung

Zuverlässige und energieeffiziente drahtlose Echtzeitkommunikation

Zuverlässige und energieeffiziente drahtlose Echtzeitkommunikation erlaubt neben vielen anderen Anwendungen die Sensor-Vernetzung für das Condition Monitoring kritischer Infrastrukturen.

Sensor-Vernetzung für Condition Monitoring

Anwendungsbeispiel für das Condition Monitoring

Das Fraunhofer IMS verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich der energieeffizienten drahtlosen Echtzeit-Kommunikation mit eingebetteten Systemen, insbesondere bei der Sensor-Vernetzung für das Condition Monitoring, also für die Zustandsüberwachung. Das umfasst sowohl den Einsatz verfügbarer Hardware-Komponenten und standardisierter Protokolle als auch die Entwicklung individueller Schnittstellen und proprietärer Protokollstacks.

Ein Beispiel für ein solches anwendungsspezifisches System ist die Sensor-Vernetzung für das Condition Monitoring von Energieversorgungs-Freileitungen. Dabei kommen entlang der Hochspannungsleitung montierte Sensorknoten zum Einsatz, mit denen die aktuelle Auslastung und der generelle Zustand der Leitung erfasst werden können. Die gemessenen Daten werden an einer zentralen Stelle aggregiert und visualisiert. Im Falle einer Störung werden dort Meldungen angezeigt und es können Maßnahmen eingeleitet werden.

Für die Datenübertragung vom Sensorknoten zur Zentrale liegt zunächst der Einsatz von Mobilfunktechnologien aus dem Bereich Narrowband IoT nahe. Um allerdings auch Sensoren an entlegenen Einsatzorten ohne Mobilfunkabdeckung anbinden zu können, macht es jedoch Sinn, die Daten zunächst über ein eigenes Funknetz zu übertragen, bis sie an einem Ort mit ausreichender Mobilfunkabdeckung angelangt sind. So ein Funknetz soll mindestens die folgenden Anforderungen erfüllen:

  • Betrieb in einem lizenzfreien ISM Band bei der dort vorgeschriebenen geringen Sendeleistung
  • Übertragungsreichweiten mindestens im zweistelligen Kilometerbereich trotz geringer Sendeleistung und geringem Energieangebot jedes einzelnen Sensorknotens
  • Hohe Redundanz und Ausfallsicherheit

Diese Anforderungen können mit Hilfe kommerzieller LPWAN-Technologien wie Sigfox oder LoRaWAN erfüllt werden.

Ausfallsichere Datenübertragung

Um eine lange Verfügbarkeit der Hardware-Komponenten sicher zu stellen und eine Abhängigkeit von einzelnen Herstellern zu vermeiden, sollten Standard-Transceiver aus dem Bereich der Short Range Devices eingesetzt werden. Für die Erreichung einer hohen Gesamtreichweite ist ein spezielles Funkprotokoll erforderlich, mit dem Informationen von einem Sensorknoten zum nächsten weiter gereicht werden, bis sie am Bestimmungsort angekommen sind.

Das Fraunhofer IMS hat für die Sensorvernetzung für das Condition Monitoring ein solches Protokoll entwickelt. Die Grundstruktur dieses Protokolls orientiert sich an einer Ring-Topologie.

Wie in der Skizze gezeigt besteht ein solcher logischer Ring aus mehreren Sensorknoten (SK) und zwei Gateways (GW A und GW B). Die Sensordaten werden entlang des Rings von Knoten zu Knoten weiter gereicht, bis sie beim primären Gateway (GW A) angekommen sind. Das Gateway nimmt die Daten aus dem Ring und leitet sie weiter zum Ziel.

Für den Fall, dass das primäre Gateway das Ziel nicht mehr erreichen kann oder komplett ausfällt, kann das sekundäre Gateway (GW B) die Aufgaben des primären Gateways übernehmen. Das entspricht einer einfachen Redundanz.

Ringförmige Kommunikationsstruktur für die Datenübertragung
© Fraunhofer IMS
Ringförmige Kommunikationsstruktur für eine redundante Datenübertragung

Bei den Sensorknoten ist das Protokoll zweifach redundant ausgelegt. Das bedeutet, dass bis zu zwei aufeinanderfolgende Sensorknoten ausfallen dürfen, ohne dass das Netzwerk in seiner Funktion beeinträchtigt wird – bei der Weiterleitung der Daten werden die ausgefallenen Knoten dann einfach übersprungen. Diese Redundanz-Pfade sind in der Skizze durch die grauen Pfeile angedeutet.

Linienförmige Kommunikationsstruktur für die Datenübertragung
© Fraunhofer IMS
Linienförmige Kommunikationsstruktur für eine redundante Datenübertragung

Da in der Praxis weder Stromversorgungsleitungen noch Pipelines eine ringförmige, sondern eine eher linienförmige Struktur aufweisen, weist das entwickelte Protokoll gegenüber der reinen Ring-Topologie folgende Unterschiede auf:

  • Die linke Hälfte des Rings entfällt. Die beiden Gateways befinden sich somit am Anfang und am Ende einer Linie.
  •  Um die benötigte Redundanz aufrecht zu erhalten, wird jedes Datenpaket zweimal durch einen Sensorknoten geleitet – zunächst in Richtung GW B, dann zurück in Richtung GW A.

Die folgende Skizze veranschaulicht diese Übersetzung der Ring-Topologie in eine Linienstruktur. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Redundanzpfade in der Skizze nicht berücksichtigt.

Mit dem vom Fraunhofer IMS entwickelten Protokoll ist es so möglich, auch bei mangelhafter Mobilfunkabdeckung energiesparend, zuverlässig und ausfallsicher Sensordaten für das Condition Monitoring kritischer Infrastrukturen an eine zentrale Leitstelle zu übertragen.

Unsere Technologien – Innovationen für Ihre Produkte

Sensoranbindung für Teleservices

Abhängig vom Einsatzgebiet des Teleservices (Medizin, Handwerk, Logistik) und der jeweiligen Ausgestaltung werden Sensoren drahtlos oder kabelgebunden an eine Informationsinfrastruktur angebunden.

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Kommunikation und Vernetzung

Kommunikationsschnittstellen erlauben den Datenaustausch mit anderen Geräten und die Anbindung an Netzwerke.

User Interfaces

User Interfaces als Schnittstelle zwischen Gerät und Anwender erlauben die Konfiguration und die Bedienung eines Produkts.

Maschinelle Lernverfahren für Embedded-Systems

Künstlicher Intelligenz auf ressourcenbegrenzten Systemen dient zur Gewinnung höherwertiger Informationen aus Sensorrohdaten.

Computer Vision

Computer Vision extrahiert das Maximum an Informationen aus Bilddaten.

 

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