Sensortechnik – Sensornetze

Es gibt ein Netz, das sich von selbst knüpft, auf seine Umgebung reagiert und Informationen blitzschnell weiterleitet. Was wie ein Trick von Harry Potter klingt, ist ein selbstorganisierendes Sensornetz. Es besteht aus Sensorbausteinen, so genannten Knoten, die ihre Position selbstständig bestimmen, miteinander drahtlos kommunizieren und ohne Unterstützung ein Netz aufbauen. Dazu hat ein Knoten Module zur Ortsbestimmung und zur Kommunikation, einen Prozessor zur Datenverarbeitung und eine Energieversorgung.

Erste Sensornetze existieren bereits – in einfacher Ausführung. Sie messen Daten wie Gaskonzentration, akustische Signale, Temperatur, Helligkeit, Feuchtigkeit oder Beschleunigung. Damit lassen sich etwa Waldbrände erfassen, der Zerstörungsgrad von Gebäuden nach einem Erdbeben oder gefährliche Chemikalien in einer Produktionsanlage (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2003, Sensornetze). Vor fünf Jahren starteten Wissenschaftler der US-Behörde DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) das Projekt Smart Dust: Tausende Miniatursensoren sollen unerkannt Feindbewegungen beobachten. Mit akustischen, magnetischen oder seismographischen Sensoren sollen sie Truppen- und Fahrzeugbewegungen erkennen. Die Sensoren filtern die Rohdaten und leiten nur relevante Informationen weiter. In Anlehnung daran haben Forscher an der Universität von Berkeley in Kalifornien wenige Kubikmillimeter kleine Sensorknoten entwickelt (siehe Kasten). Sie kommunizieren mit gerichteten Laserstrahlen, da die Komponenten für Funkkommunikation noch zu groß und energieaufwändig sind.

Im Projekt Scatterweb dagegen kommunizieren die – allerdings größeren – Sensorknoten bereits drahtlos untereinander und konfigurieren sich weitgehend selbst. "Unser Scatterweb ist vielseitig einsetzbar, da die Knoten Daten wie Licht, Vibration, Temperatur, Luftdruck oder Bewegung erfassen können", erklärt Prof. Jochen Schiller, Lehrstuhlinhaber für Technische Informatik an der Freien Universität Berlin. Er ergänzt: "Heutige Sensornetze unterscheiden sich sehr stark in ihren Fähigkeiten der autonomen Vernetzung, der Integration in bestehende Systeme wie Internet oder Ethernet sowie ihrer Flexibilität bei eventuell nötigen Umprogrammierungen."

Bei Scatterweb haben die Sensoren je nach Art der übermittelten Daten verschiedene Reichweiten: Nachbarknoten werden bis zu einer Entfernung von 4 km über Funk erkannt, Bewegungen bis zu 10 m Distanz aufgezeichnet. Die Scatterweb-Technik setzen Meeresbiologen der Universität Umeå in Nordschweden zur Überwachung der Ostsee ein. Die Sensorknoten stecken in Bojen und messen die Temperatur in unterschiedlichen Wassertiefen. Um die Sendeleistung gering zu halten, wird das Multi-Hop-Verfahren benutzt: Die Nachrichten werden von Boje zu Boje in Richtung Land geleitet.

Während das Projekt Scatterweb primär eine Entwicklungsplattform bereitstellt, stehen bei Siemens Corporate Technology (CT) Lösungen für die Selbstorganisation im Vordergrund. Die Sensorknoten sollen das Kommunikationsnetz eigenständig aufbauen. Mittels spezieller Local Positioning Radar Technology messen sie den Abstand zu ihren Nachbarn und bestimmen so ihre eigene Position. Ebenso sollen sie selbst herausfinden, wohin sie ihre Nachrichten schicken können und die Datenverarbeitung selbstständig organisieren, etwa künftig auch Messdaten interpolieren und prognostizieren. "Eine räumliche Prognose ist heute bereits machbar", erklärt Dr. Rudolf Sollacher, bei CT zuständig für Neuronale Datenverarbeitung und Experte für selbstorganisierende Sensornetze. So kann ein Sensorknoten in einem Gebäude ein Temperaturprofil auch für diejenigen Raumbereiche abschätzen, in denen sich keine weiteren Sensoren befinden.

Feuerwehrmann im Sensornet. Im November 2004 wollen die Siemens-Forscher eine weitgehende Selbstorganisation von Sensornetzen zeigen: In dem Szenario (siehe Grafik) betritt ein Feuerwehrmann mit einem Display am Helm und einem tragbaren PC ein brennendes Haus. Im PC ist ein Sensorknoten mit Internetschnittstelle integriert. Im Gebäude sind zahlreiche Sensoren, die 30 bis 100 m weit funken. Das Sensornetz zeigt dem Feuerwehrmann die Temperaturen in seiner Umgebung an und lotst ihn schrittweise zum Brandherd. Später kann das Display am Helm auch durch eine 3D-Brille ersetzt werden, in der z.B. die Rauchkonzentration oder giftige Gase angezeigt werden.

In Gebäuden erfassen Sensoren bereits Temperatur, Bewegung, Helligkeit oder Geräusche. Der Siemens-Bereich Building Technologies hat gerade das weltweit erste Sicherheitssystem mit bidirektionaler Funkkommu- nikation auf den Markt gebracht. Es umfasst neben Rauchmeldern auch Glasbruchdetektoren, Bewegungsmelder, Türkontakte sowie ein Modul zur Steuerung von Licht, Rollladen oder anderen Funktionen. Die SiRoute-Funkmelder können sich bei Funkstörungen, Sabotage oder zu großen Entfernungen selbstständig über andere Komponenten einen Weg zur Zentrale suchen. Die Batterien haben eine Lebensdauer von bis zu vier Jahren, weil inaktive Teile in einem Energie sparenden Ruhezustand schlummern. Bedient wird das Ganze mit einer Fernbedienung in Kreditkartengröße. In Zukunft sollen ähnliche Sensornetze auch Spannungen und Risse im Material von Gebäuden oder Tunneln eigenständig an Wartungseinheiten melden können.

Auch bei der Überwachung von Patienten können Sensornetze künftig unterstützen. Intel plant mit der Alzheimer’s Association ein drahtloses Sensornetz, das das Verhalten der Alzheimer-Patienten beobachtet und bei Auffälligkeiten Alarm schlägt. Das Netz kann den Aufenthaltsort der Patienten registrieren und sie an die Einnahme von Medikamenten erinnern. Sensoren verteilt im Krankenzimmer und am Körper könnten Puls und Temperatur überwachen.

Fraglich ist aber, ob Sensornetze in absehbarer Zeit auch im Körper eingesetzt werden. Zwar gibt es bereits einzelne Sensoren zum Schlucken, die die Temperatur messen oder Farbbilder etwa aus dem Magen-Darm-Trakt liefern. Das größte technische Problem sieht CT-Forscher Sollacher hier nicht in der Miniaturisierung, sondern in der Kommunikation der Sensoren, denn dafür brauchen sie eine autarke Energieversorgung – vor allem dann, wenn das Sensornetz längere Zeit im Körper bleiben soll. Denkbar sind für Sollacher "passive Elemente, die ihre Energie, die sie zum Senden benötigen, von außen erhalten oder dem Körper entziehen".

Für einen massenhaften Einsatz von selbstorganisierenden Sensornetzen müssen vor allem noch die Kosten der Knoten, ihr Energiebedarf und ihre Größe sinken. So kostet ein Knoten von Scatterweb derzeit etwa 50 €. "Gefragt sind Sensoren in der Größe einer Streichholzschachtel zu Preisen von 20 €", sagt Schiller. Bei größeren Stückzahlen sei das möglich, noch niedrigere Kosten brächte die Massenproduktion. Beim Energieverbrauch müssen künftige Sensoren mit ihrer Umgebungsenergie auskommen, denn Batteriewechsel sind oft nicht möglich. "Es könnten Solarzellen, aber auch Temperaturunterschiede, Vibrationen oder andere Bewegungen genutzt werden", erklärt Schiller. Wichtig ist, dass nur diejenigen Sensorknoten Messdaten weiterleiten, die noch über genügend Energie verfügen – z.B. nur solche, die gerade von der Sonne beschienen werden.

"Die Kommunikation sollte möglichst minimiert und die in den Rechnern eingebaute Intelligenz erhöht werden. Denn das spart insgesamt Energie", betont Sollacher. Er ist davon überzeugt, dass der größte Gewinn an Energieeffizienz beim Prozessor, also der Datenverarbeitung, zu erreichen ist. Fortschritte erwarten die Experten auch bei der Miniaturisierung der Knoten. Aber für funkende Sandkörnchen – wie im Smart-Dust-Konzept angestrebt – bedarf es heute und in naher Zukunft wohl noch eines genialen Zaubertricks von Harry Potter.

Sylvia Trage

Scatterweb, FU Berlin: Auf der Hannover-Messe 2004 präsentierte die Freie Universität Berlin die Sensornetz-Plattform Scatterweb. Scatterweb stellt ein Internet en miniature dar, in dem Daten von den Sensoren gesammelt und übers Sensornetz übermittelt werden. Ein beliebiger Webbrowser dient als Zugang. Scatterweb ist sehr flexibel und auch im Betrieb frei programmierbar. Etliche Sensorknoten (Embedded Sensor Board, ESB) wurden realisiert (Bild oben). Das sind kleine Geräte von 4 × 5 cm² Grundfläche mit einer Vielzahl von Sensoren, etwa für Helligkeit, Lärm, Vibration, Bewegungen. Ebenfalls integriert sind Mikrofon, Lautsprecher, Infrarot-Sender und -Empfänger. Ein ruhender ESB verbraucht nur 8 µA, ein aktiver zwischen 8 und 12 mA. Mit üblichen AAA-Batterien hält ein solcher ESB zwischen fünf und 17 Jahren, wenn er alle 20 Sekunden 25 Byte sendet. (www.scatterweb.net)
EU-Projekte Eyes und Bison: Bei Eyes (Laufzeit 2002 bis 2005) steht die Energieeffizienz im Vordergrund. Bei Bison (2003 bis 2005) geht es um biologisch inspirierte Sensornetze. Der Fokus liegt auf Robustheit, Selbstorganisation sowie der Selbstinstandsetzung der Netze.
Great Duck Island: Auf der Insel vor Maine beobachten das College of the Atlantic (COA), Intel und die Universität Berkeley mit einem Sensornetz eine seltene Sturmschwalbenart. Die Sensoren messen Temperatur, Feuchtigkeit und Luftdruck in den Brutlöchern und der Umgebung. Eine Basisstation ist ans Internet gekoppelt. Der Energievorrat der Batterien ist auf maximal ein Jahr ausgelegt. Im Sommer 2003 wurde bereits die zweite Generation des Netzwerks mit 105 Knoten installiert und dann erneut um 60 Brutloch-Sensoren und 25 Wettersensoren erweitert.
Sensornetze an der UC Berkeley: Forscher der Universität Berkeley wollen digitale Schaltungen, laserbasierte, drahtlose Kommunikation und MEMS (Mikro-elektromechanische Systeme) in ein winziges System packen. Ein kompletter Sensorknoten, bestehend aus Mikrocontroller, Speicher, Sensor, Funk-Sende- und Empfangseinheit und Energieversorgung, soll in einem Volumen von ein oder 2 mm³ integriert werden. Während das ältere Modell des Flashy Dust Mote noch 138 mm³ umfasste, hat der neuere Typ des Golem Dust Mote bereits nur noch etwa 11 mm³ Volumen mit einer Gesamtlänge von 5 mm.