Freitag, 16. November 2012

Architektur des Sensornetzes

Die einzelnen Sensoren kommunizieren über ZigBee, verwendet werden Module der Firma Digi. ZigBee hat hier zwei entscheidende Vorteile gegenüber WLAN:

Erstens handelt es sich um ein Mesh-Netz, dessen Routing-Topologie sich nach Bedarf anpasst. Dies ist wichtig, da die Sensoren in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, deren Funkabdeckung wechseln kann. Die Umgebung ist hier besonders kritisch zu sehen, da der zunächst geplante Einsatzort die Trockenpartie einer Papiermaschine ist, im wesentlichen eine sehr große Menge von Stahl, der von einer praktisch dichten Aluminiumhaube umgeben ist. Kann ein einzelner Sensor die Basisstation nicht erreichen, ist dies kein Problem, andere Sensoren können die Daten weiterleiten. Ist also etwa ein Sensor nicht zu erreichen, wird einfach zwischen diesen und den letzten erreichbaren ein weiterer Sensorknoten installiert. Da die Sensoren batteriebetrieben sind, ist dies praktisch kein Aufwand.

Zweitens kann mit ZigBee vergleichsweise leicht ein geringer Stromberbrauch realisiert werden. Die meiste Zeit sind die Module im Ruhezustand und werden nur gelegentlich zur Datenübertragung aufgeweckt. Für den Stromverbrauch letztlich entscheidend, ist die Minimierung der Dauer des aktiven Zustands.  Man kann zwar mit hoch optimierten Systemen (dazu siehe etwa Benedikt Ostermeier et al, Connecting Things to the Web using Programmable Low-power WiFi Modules, WoT '11 Proceedings of the Second International Workshop on Web of Things, Article No. 2, ACM, 2011) durchaus auch mit WLAN eine regelmäßige Datenübertragung bei Batteriebetrieb erreichen, aber ZigBee ist hier bereits "by design" schneller.

Als Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden Sensoren vom Typ HYT939 verwendet. Diese bieten eine hohe Genauigkeit bei einfacher Anbindung und einfachem Einbau. Die Vorverarbeitung der Daten erfolgt durch einen Arduino FIO, der von einer LiPo-Batterie versorgt wird.

Die Daten werden von den Sensoren zu einer Basisstation (ein Raspberry Pi mit Funkinterfaces und einem LCD-Display) übertragen, die diese lokal speichert und eine grobe Auswertung zur Zustandsdiagnose durchführt. Diese Basisstation bietet ein WLAN-Interface, um Anzeigegeräte anzubinden. Die Darstellung der Daten erfolgt auf einem Smartphone oder Tablet.


Dadurch ist eine ständige Überwachung der Betriebsparameter durch die Maschinführer leicht möglich. In einer späteren Ausbaustufe sollen die Daten per UMTS-Modem direkt zur Erstellung von Analysen bereitgestellt werden.

Donnerstag, 20. September 2012

Worum es hier geht ....

Aus einer Unterhaltung (bei einigen Bierchen, aber da entstehen manchmal die besten Ideen) mit meinem Freund Dominik Mai entstand die Idee, meine Interessen und Erfahrungen (Internet der Dinge, Meßtechnik - das klingt jetzt vielleicht für einen Wirtschaftsinformatiker etwas seltsam, aber ich bin von Haus aus Physiker und habe mir mein Studium durch die Entwicklung von medizinischer Meßtechnik finanziert) und seine (Papiermaschinen, innovative Produkte) zu verbinden und ein Low Cost Sensornetz für den Einsatz im industriellen Umfeld, insbesondere eben in Papiermaschinen zu entwickeln.

Das klingt jetzt zunächst mal vielleicht nicht besonders spannend, die Technologien dafür gibt's ja schließlich schon länger, aber erstens ist die Umgebung dort alles andere als freundlich (heiß, naß, abrasiv) und zweitens sind die verfügbaren Systeme viel zu teuer.

Unser Ziel ist: 100 Euro pro Sensorknoten (zuzüglich dem eigentlichen Sensor), 500 für die Basisstation, 4-6 Wochen kontinuierlicher Betrieb ohne externe Stromversorgung, Installation/Konfiguration des Systems und Auswertung der Daten ohne IT-Expertenwissen. Das ist bei kleinen Stückzahlen sportlich. Und war vor ein paar Jahren sicherlich nicht möglich.


Ob es heute möglich ist, werden wir sehen. Die Zukunft ist es in jedem Fall.