Mehr Reichweite Energieeffiziente drahtlose Sensornetzwerke mit MEMS-Technik

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Viele vernetzte Sensoren übertragen ihre Daten drahtlos. Ein Knackpunkt ist ihre Energieversorgung. Dazu haben die Forscher nun ein Mikrosystem entwickelt und in Silizium gefertigt.

Firmen zum Thema

Schema zur Bereitstellung energieeffizienter, langreichweitiger Sensorknoten. Sie lassen sich in dünnbesiedelten Regionen mit schwacher Mobilfunkinfrastruktur einsetzen.
Schema zur Bereitstellung energieeffizienter, langreichweitiger Sensorknoten. Sie lassen sich in dünnbesiedelten Regionen mit schwacher Mobilfunkinfrastruktur einsetzen.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Viel dünnbesiedelte Regionen verfügen nur über eine schwache Mobilfunkinfrastruktur. Das ist problematisch. Gerade wenn immer mehr Geräte und Anlagen vernetzt sind. Sei es beim Hochwasserschutz, Infrastruktur oder der digitalen Landwirtschaft. Es ist vor allem die Funkschnittstelle, um mit Sensoren ausgestatteten Geräten über eine Cloud oder eine zentrale Monitoring-Station anzubinden.

Werden Daten über die Luftschnittstelle über eine große Entfernung übertragen, ist Energie notwendig. Hier bietet sich eine dezentrale Energieversorgung an, beispielsweise mit Photovoltaik-Anlagen. Aber gerade im industriellen Einsatz gibt es viele Anwendungen, bei denen solare Energie oder andere Quellen nicht in ausreichendem Maße verfügbar sind oder Größen- und Gewichtslimitierungen Konzepte zur Energiegewinnung verbieten.

Grundlage ist ein energieeffizienter Sensorknoten

Deshalb besteht ein großer Bedarf an rein batteriebetriebenen drahtlosen Sensorknoten, die dennoch eine lange Laufzeit garantieren. Gleichzeitig sind die einzelnen Messstellen oft weit verteilt, was für das Senden und Empfangen einen hohen Energiebedarf darstellt.

Erste Ergebnisse für das Problem lieferte bereits ein grundlagenforschungsorientiertes Projekt. Diese sollen nun durch die drei Partner TU Hamburg, Fraunhofer IPMS in Dresden/Cottbus und dem Industriepartner Actemium BEA in Spremberg in dem Gemeinschaftsprojekt „MEMS-basierte parametrische Verstärker für Reichweitenoptimierung drahtloser Sensornetze“ weiterentwickelt werden.

Funkschnittstelle mit hohem Energiebedarf

Kern des von der DFG und der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Vorhabens ist ein energieeffizienter Sensorknoten. Da die Funkschnittstelle den höchsten Energiebedarf aller Komponenten hat, ist das der Schwerpunkt des Projekts. „Dazu wird am Fraunhofer IPMS ein Mikrosystem entwickelt und in Silizium gefertigt, das als effizienzoptimiertes Verstärkungselement in den Empfänger der TU Hamburg integriert wird. Damit wären die beiden größten Herausforderungen – Energieverbrauch und Reichweite – gelöst“, erklärt Dr.-Ing. Christine Ruffert vom Fraunhofer IPMS.

„Der Anwendungspartner Actemium BEA demonstriert beispielsweise, wie das System an seinen Automatisierungsanlagen und Maschinen eingesetzt werden kann. Beispielsweise in der Fördertechnik für den Tagebau oder an dezentralen Messstellen. Das Unternehmen erhält so die Möglichkeit, schon früh an Innovationen aus der Forschung zu partizipieren“, sagt Ruffert weiter.

Hochfrequente elektromechanische Anregung

Basierend auf einem optimierten Systemansatz wird gezielt die Funkschnittstelle durch das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Hamburg um eine stromsparende Verstärkertechnik ergänzt, um die Reichweite des im DFG-Vorgängerprojekt (FOR 1508) entworfenen Aufweckempfängers (Wake-up Receiver, WuRX) energieeffizient zu erhöhen.

Die grundlegende Idee besteht darin, Energie für den Verstärker aus einer hochfrequenten elektromechanischen Anregung zu generieren. Dies soll ein mechanischer MEMS-Oszillator ermöglichen, der am Fraunhofer IPMS entwickelt wird. Die neuen technologischen Ansätze sollen die technische Verwendbarkeit erweitern und damit den Weg in Richtung Kommerzialisierung des Systems bereiten.

Möglichen Einsatz finden sich in der digitalen Landwirtschaft und der Bodenschätzegewinnung. Weitere Anwendungen sind das Umweltmonitoring und die Ausstattung weißer Ware (wie Kühlschränke, Geschirrspüler, Waschmaschinen) mit der effizienten Funk- und Signalverarbeitungsplattform. Die Plattform lässt sich nahezu in alle Anwendungen integrieren, wo große Datenmengen entstehen und übertragen werden sollen. Sogar die Ablaufsteuerung nachgelagerter Sensorik kann das System übernehmen.

(ID:47732392)