SIEMENS

Man könnte sagen, Dr. Rudolf Sollacher schafft Hierarchien ab. Bei Siemens Corporate Technology (CT) erforscht er, wie sich intelligente Sensoren in einem Netzwerk selbst organisieren. So könnten sie etwa in einem Gebäude Messwerte über Temperatur, Gase oder Rauchentwicklung nicht einfach an eine Leitstelle weitermelden, sondern gemeinsam entscheiden, ob es brennt oder nur in der Küche aus einem heißen Topf dampft. Ein solches System wäre sehr robust, sagt Sollacher: „Fällt bei einem Brand die Zentrale aus, gibt es keine Informationen mehr. Ist die Intelligenz dagegen verteilt, kommen aus vielen Bereichen noch Daten, die die Feuerwehr nutzen kann.”

Sensoren sind die Außenposten jeder intelligenten Steuerung – von automatischen Fertigungsabläufen bis zur Überwachung großer Industrieanlagen. Anhand ihrer Messdaten trifft heute ein Leitsystem Entscheidungen und erteilt Befehle an Aktoren wie Regler oder Stellmotoren. Sie sind intelligente Bausteine, so genannte Sensorknoten, die einen Mikroprozessor und manchmal Kommunikations- oder Ortungseinheiten besitzen. In modernen Gebäudekomplexen finden sich tausende solcher digitaler Aufpasser. Mit ihrer Zahl wächst aber auch der Aufwand für die Programmierung der Steuerung: Jeder Sensorknoten muss initialisiert und jede Funktion, etwa die Erstellung einer Diagnose, programmiert werden.

Einfacher und billiger wäre ein Sensornetz, das diese Aufgaben selbst erledigt. In einer Studie hat Sollachers Team gezeigt, wie Sensornetze die Suche nach Baumaterial auf riesigen, Quadratkilometer großen Baustellen vereinfachen können: Zwar wird dort alles Material, beispielsweise Schachteln mit Schrauben, Kabeltrommeln, aber auch ganze Motoren, mit Funketiketten – so genannten RFID-Tags – versehen und inklusive Lagerort in eine Datenbank eingebucht. Doch mit der Zeit werden Container verschoben oder Maschinen verstellt, und die Informationen stimmen nicht mehr. Das CT-Konzept sieht nun Sensorknoten vor, die aus einem Ortungsgerät mit Kommunikationseinheit bestehen, und die man auf hohen Stangen in etwa 50 Metern Abstand über das Gelände verteilt. Einmal aufgestellt, lokalisieren sich die Knoten eigenständig über Abstandsmessungen zu den Nachbarn, vernetzen sich per Funk und registrieren die RFID-Tags in ihrer Umgebung. Gibt ein Lagerarbeiter die Kennung eines gesuchten Materials in sein RFID-Lesegerät ein, verteilt sich die Anfrage über die Knoten im Netz, und das Display zeigt Richtungspfeile an, die ihn zum richtigen Lagerplatz leiten. Erweitert sich die Baustelle, stellt man einfach zusätzliche Stangen auf.

Heute sind Sensorknoten meist via Kabel mit der Leitstelle verbunden. Das ist aufwändig und teuer, insbesondere wenn viele Geräte angeschlossen werden sollen oder diese beweglich sind – etwa Roboter in der Autoindustrie. Eine Lösung wären Funksensoren, aber auch diese haben Nachteile. So muss ihre Energieversorgung ebenso gewährleistet sein wie die Sicherheit und Stabilität der Funkübertragung. CT entwickelt unter Sollachers Leitung im Rahmen des vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts ZESAN (Zuverlässige energieeffiziente Sensor- und Aktor-Netzwerke) Technologien für entsprechende Funksensornetze.

Energie ernten. Sollacher knausert mit jedem Mikrowatt, denn die Batterien der Sensoren sollen klein sein und möglichst lange halten. Sein Kollege Daniel Evers erforscht daher energieautarke Funksensoren, die buchstäblich Energie aus der Umgebung ernten (Pictures of the Future, Herbst 2009, Den Energie-Ozean ernten). Er bestückt Sensoren beispielsweise mit Solarzellen oder mit piezoelektrischen Wandlern, die mechanischen Druck in elektrische Spannung verwandeln, oder auch mit thermoelektrischen Materialien, die aus Temperaturunterschieden Energie erzeugen. So lassen sich in einem wenige Zentimeter kleinen Sensor einige Milliwatt elektrische Leistung produzieren, solange Umgebungsenergie vorhanden ist, also etwa Licht auf die Solarzelle fällt.

Die Energie wird in einem Kondensator gesammelt, bis sie für einen Funkspruch ausreicht. Weil das Senden und Empfangen viel Strom verbraucht, je nach Technologie von wenigen zehn bis zu knapp 100 Milliwatt, herrscht möglichst oft Funkstille im Netz, das heißt, die Sensoren schalten auf Stand-by – ein Zustand, in dem sie nur wenige Mikrowatt verbrauchen. Etwa alle 100 Sekunden erwacht ein Sensor, misst und „spricht“ mit den nächsten Nachbarn. Nur wenn dieser Abgleich Signifikantes zu Tage fördert, wenn also zum Beispiel alle Nachbarn erhöhte Temperaturen messen, wird die Information weitergefunkt.

Die sparsam abgesetzten Funksprüche müssen aber zuverlässig ankommen, obwohl Reflexionen an geöffneten Türen oder Personen Funklöcher verursachen oder Datenpakete zerstückeln können. Sollacher untersucht deshalb Sensorknoten mit mehreren Antennen, die das Funksignal auch aus weniger gestörten Richtungen empfangen können. Anders arbeitet ein von Siemens bereits 2004 entwickeltes, zentral gesteuertes Funksicherheitssystem für Gebäude: In dem Netz senden etwa 15 Knoten, beispielsweise Rauchmelder, von Nachbar zu Nachbar an eine Basis und suchen bei Funklöchern eigenständig Alternativrouten.

Auch für die Prozessindustrie bietet Siemens funkbasierte Produkte, erklärt Kurt Polzer, der bei Siemens Industry für die Geschäftsentwicklung von drahtlosen Feldgeräten zuständig ist: „Für die Anlagenbetreiber steht bei einem Wechsel zur Funktechnik einerseits viel auf dem Spiel. Fällt zum Beispiel in einer Flachglasproduktion die Leittechnik aus, erkalten 1000 Tonnen Glas in der Schmelzwanne. Andererseits ergeben sich auch große Vorteile, und man kann die Anlagen einfach mit zusätzlichen Sensoren nachrüsten. Das reduziert Wartungskosten und erhöht die Produktivität und die Qualität der Produktion.“

Wie selbstorganisierende Netze funktionieren, beobachtet Sollacher im Labor an einem Testnetz, in dem bis zu 80 Knoten Temperatur, Helligkeit oder Luftfeuchte messen. Sie bestimmen ihren Ort über Abstandsmessungen zu den Nachbarn, verteilen eigenständig Funkkanäle und synchronisieren regelmäßig ihre Zeiten. Auch Dateninterpretationen gelingen, etwa die Ermittlung der mittleren Temperatur: Dazu vergleichen die Sensorknoten ihre Messwerte mit denen ihrer Nachbarn und schätzen daraus einen Durchschnittswert für das Gesamtsystem ab – auch für Knoten, deren Messungen sie nicht kennen. Diese Schätzung tauschen sie mit den Nachbarn und gelangen so in wenigen Schritten zum korrekten Mittelwert, der dann an jedem Sensorknoten abrufbar ist.

Ähnlich identifiziert das Netz einfache Muster, etwa die Kombination verschiedener Messwerte: „Stellen Sie sich einen Kühlcontainer vor, der von einem Temperatur-, einem Feuchte-, und einem Türsensor überwacht wird“, erklärt Sollacher. „Ist die Tür zu, müssen Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem bestimmten Bereich liegen. Ist sie offen, dürfen diese Grenzen überschritten werden.“ Jeder Sensorknoten entscheidet anhand vorgegebener Messbereiche, ob seine Messung im Soll liegt und schätzt anhand seiner Werte ab, ob das ganze System in einem erlaubten Zustand ist. Diese Schätzung tauscht er mit den Nachbarn aus, und das Netz ermittelt dann wieder iterativ, ob das System im „grünen Bereich“ ist. Wichtig sind solche Funktionen für die Überwachung großer Industrieanlagen mit einer Vielzahl von Sensoren.