Ad-hoc vermaschen für hohe Flexibilität

Vor allem in großen Gebäuden und Räumen, in denen sich viele Menschen aufhalten, wie etwa in Bürohochhäusern, Einkaufszentren, Schulen und so weiter, gewinnt das Thema Luftqualität immer mehr an Bedeutung. Dabei geht es längst nicht mehr nur um das frühzeitige Erkennen schädlicher Gaskonzentrationen oder die automatische Regelung der Raumtemperatur. Auch die Luftverschmutzung außerhalb des Gebäudes ist ein zunehmend bedeutender Aspekt, den es bei einer automatischen Gebäude- und Raumlüftung zu berücksichtigen gilt.

Die erste große Hürde für Systemintegratoren ist erfahrungsgemäß die Auswahl der geeigneten Sensorik. Jede Anwendung hat hier ganz spezifische Anforderungen. Speziell in öffentlichen Gebäuden wird die Luftqualität beispielsweise überwiegend mittels CO₂-Messung ausgewertet. Gerüche entstehen allerdings aus einer Vielzahl unterschiedlicher chemischer Stoffe – Studien zufolge aus bis zu 8000 – und das Gas CO₂ ist geruchsneutral. Deshalb sollten zur optimalen Regelung der Lüftungssysteme in modernen energieeffizienten Gebäuden neben der CO₂-Konzentration insbesondere auch die flüchtigen, organischen Stoffe (sogenannte VOC) gemessen werden. Sie stellen eine wichtige Messgröße für die empfundene Luftqualität dar, die wiederum maßgeblich das Wohlbefinden der Personen im Gebäude beeinflusst. Die erfolgreiche Umsetzung dieses Vorhabens setzt indes eine gewisse praktische Erfahrung voraus. Wer sich nicht zunächst einmal zeitaufwendig mit kritischen Themen wie der Signalgewinnung, der Sensordrift, der Alterung des Sensorelements oder Baselevelshift-Algorithmen auseinandersetzen will, sollte bei der Gassensorik deshalb wo immer möglich auf komplette plug-&-play-fähige Module wie beispielsweise das USM-MEMS-VOC-Modul von Unitronic Electronics zurückgreifen, ein nur 17 × 15 × 3 mm³ kleines Sensormodul in SMD-Bauweise, mit dem sich flüchtige organische Verbindungen in der Luft besonders schnell und mit sehr hoher Genauigkeit ermitteln lassen (Bild 1).

Über Funk vernetzte Sensornetzwerke

Bild 1: Mithilfe des plug-&-play-fähigen USM-MEMS-VOC-Moduls lassen sich flüchtige organische Verbindungen in der Luft besonders schnell und genau ermitteln. Unitronic

Völlig unterschätzt werden häufig auch die Herausforderungen, die im Zusammenhang mit der Weiterleitung der erfassten Daten zu Auswertungs- und Regelzwecken entstehen. So müssen Messsensoren applikationsbedingt oft in schlecht zugänglichen Bereichen angebracht werden, in denen eine Energieversorgung via Kabel nur schwer oder gar nicht möglich ist. Auch bei der Nachrüstung bestehender Gebäude mit intelligenten Systemen sind kabelgebundene Lösungen – so sie überhaupt realisierbar sind – meist sehr aufwendig, teuer und häufig auch noch ziemlich unflexibel. Die einzige konsequente Lösung bieten hier batteriebetriebene, über Funk vernetzte Sensornetzwerke.

Einen völlig neuen Lösungsansatz liefert nun das Ad-hoc-Wireless-Mesh-Network-Konzept von Neocortec, das auf einem patentierten, sich selbst managenden Ultra-Lowpower-Wireless-Mesh-Netzwerkprotokoll basiert und einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von Sensornetzwerken mit bis zu 64.000 Endknoten gewährleistet.

Je nach Bedarf können Anwender zwischen drei jeweils nur 11 × 18 × 2,5 mm³ großen, vorkonfigurierten Wireless-Modulen (Bild 2) für die Frequenzbereiche 2,4 GHz (NC2400), 868 MHz / 915 MHz (NC1000) oder 433 MHz (NC0400) wählen, von denen jedes einzelne als komplett identischer, autonomer Knoten fungiert.

Automatische Netzverwaltung

Bild 2: Die kleinen, vorkonfigurierten Wireless-Module für die Frequenzbereiche 2,4 GHz ISM, 868 MHz SRD/915 MHz ISM oder 433 MHz ISM fungieren jeweils als identische autonome Knoten. Unitronic

Neben der Netzverwaltung erfolgt bei der Mesh-Network-Lösung von Neocortec auch das Routing vollkommen automatisch. Das patentierte Speed Routing Protocol ist dafür so ausgelegt, dass es komplexe Problemstellungen in einem dynamischen und großen Netzwerk völlig eigenständig managen kann. Im Gegensatz zu anderen Routing-Protokollen legt das Speed Routing Protocol den detaillierten Weg von A bis B nicht schon im Voraus fest. Stattdessen ermittelt es durch Zugriff auf das „Gehirn“ jedes einzelnen Knotens, welcher der naheliegenden Knoten am besten geeignet ist, um zum nächsten Sprungziel und entsprechend zum Zielknoten zu gelangen. Während die Informationen sich durch das Netzwerk bewegen, wird die Analyse der Nachbarknoten dazu verwendet, die optimale Route durch das Netzwerk zu bestimmen. Da das „Gehirn“ der einzelnen Knoten ständig in Echtzeit aktualisiert wird, ändert sich je nach aktueller Topologie und Link Quality auch immer wieder der Weg.

Vor allem wenn kein permanenter Datenaustausch in Echtzeit erforderlich ist, wenn also Messwerte nur in Minuten- oder Stundenintervallen aktualisiert werden, lassen sich mit diesem Technologieansatz äußerst langlebige batteriebetriebene IoT-Sensorapplikationen realisieren. Da mithilfe des patentierten Protokolls das gesamte Netzwerk zeitsynchronisiert in einen Schlafzustand versetzt werden kann, sind mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von weniger als 20 µA Batterielaufzeiten von mehreren Jahren realisierbar.

Langlebige IoT-Sensorapplikationen

Weil für die Verwaltung der bis zu 64.000 Endknoten im Gegensatz zu den bislang üblicherweise verwendeten Technologien kein zentraler Netzwerkknoten benötigt wird, kann das Netzwerk jederzeit ohne Probleme und ohne großen technischen Aufwand verändert und vergrößert werden. Dadurch lassen sich Applikationen in Bereichen wie vernetzte Verbrauchsmesssysteme, dezentrale Energieerzeugung, intelligente Hausvernetzung, Industrieautomatisierung, Logistik, Landwirtschaft, Smart Cities und weitere in kürzester Zeit marktreif realisieren. Zu Testzwecken und für den schnellen Einstieg in die Entwicklung stehen komplett ausgestattete Evaluationkits mit jeweils fünf Wireless-Modulen, USB-Link mit zwei virtuellen COM-Ports und umfangreicher Konfigurations- und Demosoftware zu Verfügung (Bild 3). Für eine effiziente Aufbereitung der gewonnenen Daten und für die weitere Verwendung im Regelprozess bedarf es in größeren Netzwerken neben entsprechender Schnittstellen für die externen Geräte zusätzlich auch noch spezieller leistungsfähiger, IP-basierender Schnittstellen zur Datenübertragung an eine zentrale Serverlandschaft oder Cloud-Lösung.

Um hierbei möglichst individuell auf die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendung eingehen zu können, hat Unitronic Electronics erst kürzlich die in unterschiedlichen Ausbaustufen erhältlichen Prozessormodule und Singleboard Computer (SBC) des indischen Herstellers Iwave in das Vertriebsprogramm aufgenommen. Das Angebot setzt sich aus Modulen und Boards auf Basis des gängigen Formfaktors Qseven und SODIMM sowie weiteren proprietären Formfaktoren zusammen. Als Prozessorplattformen dienen ARM-basierende SoCs wie NXP i.MX.6, Renesas RZ/G1E, RZ/G1M oder Alteras Cyclone V. Je nach Bedarf können Anwender dabei zwischen unterschiedlichen Embedded-Betriebssystemen wie OS/RTOS, Linux, WinCE, Android BSP, QNX, VxWorks oder Itron und entsprechenden Hardwaretreibern auswählen. Für den schnellen und leichten Einstieg in die Entwicklung sind bei Unitronic Electronics umfangreich ausgestattete Starterkits inklusive einer Vielzahl an externen Schnittstellen und Displays verfügbar. Ergänzend zu den Standardprozessormodulen und SBCs bietet Iwave zudem kundenspezifisch optimierte Lösungen für Industrie-, Medizin- und Automotive-Applikationen an.

Umfangreicher Erfahrungsschatz

Genauso unerlässlich wie die geeignete Hard- und Software ist für den erfolgreichen Aufbau eines komplexen Sensornetzwerkes im Internet of Things allerdings auch ein möglichst großer Erfahrungsschatz hinsichtlich des Zusammenspiels moderner Sensor- und Wireless-Technologien. Deshalb gewinnen bei Unitronic Electronics neben der ausführlichen Beratung während der Evaluierungsphase und der Design-in-Unterstützung ergänzende Dienstleistungen von der Auftragsentwicklung bis hin zur Implementierung kompletter Applikationen eine stetig wachsende Bedeutung. Über ein umfangreiches Partnernetzwerk können auch Prototyping, Zulassungen und Serienproduktion angeboten werden.

Bild 3: Die umfangreich ausgestatteten Neocortec-Evaluationkits ermöglichen einen schnellen Einstieg in die Entwicklung. Unitronic

Electronica 2016: Halle 4, Stand 373