Energieautarke Sensorsysteme

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Projektteam

Prof. Dr.-Ing. Gerd von Cölln (Hochschule Emden/Leer)

Hilko Meyer, MEng (eQ-3 Entwicklung GmbH)

Adrian Osterwind, BSc (Hochschule Emden/Leer)

Marcel Maas, BSc (Hochschule Osnabrück)

Julian Kaden, BSc (Hochschule Emden/Leer)

Energieautarke Sensorsysteme

Energieautarker Betrieb von drahtlosen Sensorknoten

In dem Forschungsprojekt Energieautarke Sensorsysteme werden Sensorsysteme erforscht, die energieautark ohne den Einsatz von Primärzellen wie Batterien betrieben werden.

Das Ziel des Projektes ist die Erforschung der erforderlichen Technologien sowie die Entwicklung prototypischer energieautarker Sensorsysteme.

Schlüsseltechnologie für den energieautarken Betrieb von Sensorsystemen ist Energy Harvesting. Energy Harvesting beschreibt verschiedene Strategien zur Gewinnung von Energie aus der Umwelt. Da die Energie aus der Umwelt nicht kontinuierlich zur Verfügung steht und stark limitiert ist, ist die Entwicklung neuer auf die Problemstellung angepasster Architekturen für Sensorsysteme erforderlich.

Folgende Themen werden im Rahmen des Vorhabens behandelt:

Low Power Sensorsysteme
Energie- und Leistungsoptimierung von Sensorsysteme
Energy Harvesting
Algorithmen zur Steuerung des Energiebedarfs

Durch den Verzicht auf Primärzellen lassen sich energieautarke Sensorsysteme über die gesamte Lebensdauer wartungsfrei betreiben. Durch diese gestiegene Flexibilität erschließt diese neue Klasse von Sensorsystemen neue Anwendungsfelder im Bereich IoT und Industrie 4.0.

Kontakt

Email:

eas(at)technik-emden.de

Projektpartner

Das Forschungsprojekt ist ein Teilprojekt des Interregprojekts ID3AS unter Leitung der Hochschule Osnabrück. Die Hochschule Emden-Leer kooperiert im Rahmen des Teilprojekts mit der Firma eQ-3 aus Leer. Schwerpunkt bei eQ-3 sind Anwendungen im Bereich Smart-Home. Im Rahmen der Kooperation werden prototypisch energieautarke Sensorsysteme für den Einsatz im Smart-Home entwickelt.

Projektvorstellung

Veröffentlichungen

Peer reviewed publications

Meyer, Johannes, Meyer, Hilko and von Cölln, Gerd (2018). An Energy Measurement System for Characterization of Energy Harvesting Systems. 23rd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Italy
Meyer, Johannes, Klitzke, Lars and von Cölln, Gerd(2019). Probabilistic Geomagnetic Fingerprinting for Low-Power Orientation Estimation utilising Geometric Models. The 17th IEEE International Conference on Industrial Informatics (IEEE-INDIN 2019), Finland
G. v. Cölln , H. Meyer, Energieautonome Sensoren zur Lageerkennung für SmartHome Anwendungen, 10. EASS Tagung, VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikrosystem- und Feinwerktechnik (GMM), Fachausschuss „Sensorik“, Karlsruhe, 5-6.3.2020
A. Osterwind, H. Meyer, J. Meyer, M. Maas, G. v. Cölln, Implementation of an energy harvesting powered orientation estimation sensor, IEEE International Converence on Emerging Technologies and Factory Automation, September 8th-11th, 2020, Vienna, Austria
G. v. Cölln, Internet der Dinge – intelligent und energieautark, Technologie-Informationen (ti), Hrsg. Arbeitskreis der Technologietransferstellen niedersächsischer Hochschulen, 1/2020,

Vorträge

A. Osterwind, G. v. Cölln, Energy autonomous sensor systems, 2nd ID3AS MeetUp on November 28th, Assen
G. v. Cölln, Energy autonomous sensor systems, Mema-Netzwerk-Treffen, Lingen, 20.11.2019

Abgeschlossene studentische Projektarbeiten

Johannes Meyer, Low Power Design Techniken für eingebettete Systeme, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 2/2018
Hilko Meyer, Entwicklung eines Energiemesssystems zur Charakterisierung von Energy Harvesting Systemen, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 2/2018
Johannes Meyer, Konzeption eines autarken low power Drucksensorsystems für den Einsatz in der Pipeline-Inspektion, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 2/2018
Hilko Meyer, Entwicklung einer energieautarken Versorgung für batterielose Komponenten in der Hausautomation, Master-Thesis im Rahmen des Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 7/2018
Johannes Meyer, Entwicklung intelligenter energieautarker Funksensorknoten am Beispiel eines Low Power Fenstersensors, Master-Thesis im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 7/2018
Tobias Ubben, Entwicklung eines Verfahrens zur Sicherung des Systemzustandes eines Mikrocomputersystems, Bachelor-Thesis im Rahmen des Bachelor-Studium Informatik, Hochschule Emden/Leer, 2/2018
Matthias Ruhl, Einheitliche Steuerung heterogener Systeme mittels OpenHAB, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, HS Emden/Leer, 9/2018
Marcel Maas, Adrian Osterwind, Registerbasierte Modellierung der Leistungsaufnahme von Sensoren am Beispiel eines mixed-signal Sensor ICs, Projektarbeit im Bachelor-Studium Informatik, Hochschule Emden/Leer, 9/2018
Johannes Silz, Implementierung eines Transient Computing Algorithmus auf einem drahtlosen Senesorknoten, Projektarbeit im Bachelor-Studium Elektrotechnik, Hochschule Emden/Leer, 4/2018
Marcel Maas, Entwicklung einer Duty Cycle basierten Powermanagementstrategie für energieautarke Funksensoren am Beispiel eines Indoor - Raumklimasensors, Bachelor-Thesis im Bachelor-Studium Informatik, Hochschule Emden/Leer, 2/2019
Torben Daniel, Entwicklung eines Energieautarken Parkplatzsensors mit LoRa-Funkttechnologie, Bachelor-Thesis im Bachelor-Studium Elektrotechnik, 9/2019
Julian Kaden, Parkplatzüberwachung mittels LoRaWAN-basierter energieautarker Sensoren, Bachelor-Thesis im Bachelor-Studium Informatik, 2/2020
Adrian Osterwind, Implementierung eines energieautarken Orientierungssensors, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer, 7/2020

Ausschreibungen Projektarbeiten

Einbindung von properitärer energieautarker Sensorik in OpenHAB

Laufende Projektarbeiten

Marcel Maas, Entwicklung eines Praktikums zur Weiterbildung im Bereich energieautarker Sensoren, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer
Julian Kaden, Entwicklung eines low power GPS-Trackers, Projektarbeit im Master-Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer
Tammo Post, Design und Implementierung einer Messoberfläche für das X-NUCLEO-LPM01A, Praxisphase im Bachelor-Studium Informatik, Hochschule Emden/Leer
Lukas Schärler, Entwicklung eines Energieautarken Regensensors, Masterarbeit im Master Studium Industrial Informatics, Hochschule Emden/Leer

Entstandene Prototypen

Im Forschungsprojekt sind diverse energieautarke Prototypen und Demonstrationssysteme entstanden. Diese zeigen die Funktionsfähigkeit und mögliche Anwendungsfälle für Energy Harvesting. Alle entwickelten Sensoren generieren ihre Energie via Solarzellen.

Einer der verbreitetsten Sensoren im Smart Home ist der Klimasensor. Dieser misst Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung. Dies ist hilfreich, um Hinweise zum Lüftungs- und Heizverhalten zu geben. Ein Raum kann somit auf einer konstanten Temperatur über den Tag gehalten werden, was zu energiesparenderem Heizen führt. Solch ein Sensor sollte nicht im direkten Sonnenlicht hängen, damit die Messwerte nicht verfälscht werden. Dies ist eine Problematik für einen energieautarken Sensor, welcher mit Solarenergie versorgt wird. Dennoch ist es im Projekt gelungen, diesen mit geschickten Energiesparmethoden so zu betreiben.

Nähere Details lassen sich dem Datenblatt entnehmen.

Eine relevante Fragestellung im Bereich Smart Home, neben der Temperatur, ist der Zustand der Fenster und Türen. Sind Türen unbeabsichtigt geöffnet, ist es relevant für den Nutzer darüber informiert zu werden. Dies kann bei der Prävention von Schäden (Einbruch, Sturm) sowie bei energieeffizientem Heizen helfen, indem der Nutzer über den Zustand informiert wird oder die Heizung abgeschaltet wird. Typische Sensoren informieren den Nutzer hierbei nur darüber, ob das Fenster geschlossen ist oder nicht. Der im Forschungsprojekt entwickelte Sensor geht dabei einen Schritt weiter. Er unterscheidet weiterhin zwischen geöffnet und gekippt.

Nähere Details lassen sich dem Datenblatt entnehmen.

Erweitert man das Konzept des Smart Homes auf eine Stadt, so nennt man dies Smart City. In diesem Bereich werden Optimierungen nicht auf Häuserebene sondern auf Stadtebene durchgeführt. Ein Anwendungsfall in diesem Kontext ist die Erkennung von freien Parkplätzen in einer Stadt. Wenn es möglich ist, die freien Parkplätze zu bestimmen und Nutzern bereitzustellen, kann dies zu einem effizienteren Fahren in einer Stadt führen und dabei den Stress für den Fahrer reduzieren. Insbesondere in stark frequentierten Gebieten ist es dabei wichtig, dass die Sensoren möglichst langlebig sind, um eine Unterbrechung durch Wartung zu verhindern. Hierbei wird in diesem Projekt auf eine große Solarzelle in Zusammenspiel mit einer Erkennung der magnetischen Signatur eines Fahrzeuges genutzt

Auf folgender Seite ist ein prototypisches Parkleitsystem auf dem Parkplatz der Hochschule zu sehen.

Zur Präsentation der entstandenen Prototypen wurden zwei Demosysteme eingerichtet. Zum einen wurde ein Demonstrationsboard gebaut, welches diverse Fenster und Klimasensoren integriert.

Weiterhin wurde eine portable Version erstellt, welche die Sensoren enthält. Diese werden mittels eines Raspberry Pi Gateways mit Display dargestellt.