Sensorknoten

Weltweit erster funkender IoT-Sensorknoten (Links: Die beiden ‚Harvester‘ zwischen den Stabmagneten (unter der weißen Umhausung) und die Sende-Platine mit Mikrocontroller, Temperatursensor und UWB-Sendemodul. Rechts: Die Empfängerstation, welche die Daten per Funk einsammelt.) (Bild: Fraba)

Nach gut zweijähriger Arbeit im Aachener F&E-Zentrum von Fraba hat ein Forschungsteam im Rahmen einer Labor-Demonstration den Prototyp eines drahtlosen Sensors präsentiert, der mit Wiegand-Technologie betrieben wird und sich problemlos in ein IoT-Netzwerk einfügen ließ. Das Projekt umfasste die Entwicklung eines neuen leistungsstarken Wiegand Harvesters, der in der Lage ist, genügend Energie für die Stromversorgung der kompletten Sensorelektronik, einschließlich eines effizienten Ultrabreitband/UWB-Funksenders, zu gewinnen. Dieser im Labor erzielte Durchbruch, eröffnet neue Chancen und wird dazu beitragen, Wiegand-Systeme (die Energie aus den Bewegungen eines externen Magnetfelds gewinnen) neben etablierten Energy-Harvesting-Techniken wie Solar-, Piezo- oder Thermoelektrik als verlässliche Energiequelle für autonome Sensorknoten in den boomenden IoT-Netzwerken zu verankern.

„Wiegand Sensoren, die auf Low Power-Output getrimmt sind und von uns seit 2014 als SMD-bestückbare Komponenten in riesiger Stückzahl gefertigt werden, bilden seit mehr als 15 Jahren eine Kernkomponente unserer Drehgebersparte Posital“, sagt Tobias Best, der die globale Ubito-Initiative zur Entwicklung neuer Wiegand-Anwendungen von Singapur, koordiniert. „Während Wiegand-Systeme eine zuverlässige batterielose, energieautarke Möglichkeit zur Erkennung und Aufzeichnung von Umdrehungen in Multiturn-Drehgebern und Durchflussmessern bieten, hatten wir schon lange einen wesentlich höheren Output beim Energy Harvesting, gekoppelt an komplett neue Anwendungen, im Visier.“ Mit diesem Ziel vor Augen wurde Anfang 2020 ein ambitioniertes F&E-Projekt gestartet, das darauf abzielte, die Energieleistung von Wiegand-Geräten deutlich zu verbessern und ihren praktischen Einsatz beim Betrieb energieautarker IoT-Sensorknoten zu demonstrieren.  

Im F&E-Projekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, arbeitete das Team eng mit der FH Aachen zusammen. Dabei wurde das gesamte bisherige Wiegand-Know-how einmal mehr auf den Prüfstand gestellt, wobei zentrale Parameter in umfangreichen Magnetfeldsimulationen detailliert nachjustiert wurden. Neueste Low Power-Fortschritte bei Mikrocontrollern, innovative Wireless-Protokolle wie UWB und clevere Energiemanagement-Lösungen wurden in die Planungen einbezogen. Wesentliche Vorgabe war, die Baugröße des neuen Power-Sensors, mit den Basiskomponenten Wiegand-Draht und Spule, möglichst kompakt zu halten. Nach gut zweijähriger intensiver Arbeit konnte das Projektteam den Durchbruch vermelden.  Mit dem neuen Wiegand Harvester wurde ein Prototyp vorgestellt, der 50-mal mehr Energie erzeugt als der herkömmliche Wiegand Sensor. „Mit diesem Leistungsniveau konnten wir endlich IoT-Sensorknoten auf Wiegand-Basis angehen, deren Daten drahtlos über größere Distanz an ein entfernt gelegenes Kommunikations-Gateway übertragen werden können," so Best.

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Bei der Auslegung des Demo-Projekts im Labor entschied man sich in Aachen für einen IoT-Knoten in Kombination mit einen Fenstersensor, der als Gesamtsystem vollständig durch die per Wiegand Harvester bereitgestellte Energie betrieben wird. Dabei wurden zwei Wiegand Harvester und die dazugehörige Elektronik am Fenster montiert, während Stabmagnete am Rahmen angebracht wurden. Die kompakten Harvester bestehen aus einem 21 mm langen, aufwändig konditionierten Wiegand-Draht, der von einer Kupferspule umgeben ist. Sie haben die Größe einer AAA-Batterie (d=7,5 mm). Jedes Mal, wenn das Fenster geöffnet oder geschlossen wird, gleiten die Harvester an den Magneten vorbei, was abrupte magnetische Polaritätswechsel in den hochsensiblen Wiegand-Drähten auslöst.

Die über diese Impulse generierte Energiemenge ist unabhängig davon, wie schnell oder langsam das Fenster bewegt wird - ein wesentlicher USP der Wiegand-Technologie. Die durch die Umpolung ausgelösten Stromimpulse erzeugen 10 μJ Energie pro Harvester. Diese Energiemenge reichte aus, um den Mikrocontroller zu aktivieren und den im System integrierten Temperatursensor auszulesen. Das Team fügte ein UWB-Sendemodul hinzu, mit dem das 134 Byte-große Datenpaket problemlos an eine 60 m entfernte Empfangsstation gefunkt werden konnte. Diese Labordemonstration, die einen Meilenstein auf dem Weg zu autarken Wiegand-basierten IoT-Sensorknoten darstellt, wurde im Laufe des Jahres auf diversen Fachkongressen in den USA präsentiert, die sich auf die neuesten Trends im Bereich Energy Harvesting konzentrieren.

Fraba, SPS Halle 4 A, Stand 500

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