Vernetzte Sensoren – energieeffizient und leistungsstark

7.6.2018

Die wichtigsten Komponenten im Internet of Things (IoT) sind winzige Sensorknoten, die Informationen aus ihrer Umgebung sammeln und weitergeben – und die Anwendungen werden immer zahlreicher und ausgefeilter. Ein großes Manko ist derzeit noch der Stromhunger der Sensorknoten. Im Fraunhofer-Leitprojekt »ZEPOWEL« arbeiten neun Institute an zukunftsweisenden Lösungen für ein energieeffizientes IoT.

© Fraunhofer IAF

Leistungsverstärker in Funkknoten für eine zielgenaue Datenübertragung für 5G.

© MEV Verlag

In der Industrie sorgen vernetzte Umgebungen für mehr Produktivität und Sicherheit.

© Fraunhofer EMFT / Bernd Müller

Eine 5 × 5 mm² kleine Silizium-Mikropumpe führt dem Sensor aktiv Luft zu und verkürzt damit die Reaktionszeit erheblich.

Die Zahlen sprechen für sich: 2013 entsprachder Energiebedarf aller vernetzter Geräteweltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf anelektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre wird sich dieser Bedarfsogar auf 1140 TWh/a nahezu verdoppeln, wobei das vernetzte IoT einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben wird. Die Konsequenz: Sensoren müssen energieeffizienter werden.

Vision vom energieautarken Sensornetz

Eine umfassende Lösung gibt es bislang nicht: Für jede Anwendung wird eine einzelne IoT Hardware entwickelt, die dann mehr oder weniger energieeffizient ist. Dies soll sich mit dem Fraunhofer-Leitprojekt »Towards Zero Power Electronics« (ZEPOWEL) ändern: Neun Fraunhofer-Institute arbeiten dazu an einer einheitlichen und extrem energieeffizienten Hardware-Lösung. Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Systemniveau realisiert. Das heißt, auch die Kommunikation mit anderen Systemen wird energiesparender. Langfristiges Ziel ist es, dass vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten können. Um dieser Vision Schritt für Schritt näher zu kommen, setzen die Forschenden an verschiedenen Aspekten an: So arbeitet ein Team zum Beispiel an einem Ultra-Low-Power Wake Up-Receiver: Dieser sorgt dafür, dass ein Sensorknoten nicht permanent Daten senden muss, sondern erst bei einem bestimmten Schwellwert oder durch eine authentifizierte Anfrage von außen »geweckt« wird. Das im Projekt entwickelte Modul soll 1000-mal effizienter sein als existierende Standardfunklösungen und nur auf autorisierte und kryptographisch gesicherte Signale reagieren, die für es relevant sind.

Um den Energiehaushalt der Knoten selbst zu optimieren, entwickeln Forschende im Rahmen des Projekts einen Breitband-Harvester – eine Art »Erntemaschine« für Energiequellen in der Umgebung. Die so absorbierte Energie wird in einer neu entwickelten Dünnschichtbatterie gespeichert, die direktauf dem Hardware-Chip integriert ist. Dieser voll integrierte Ansatz von Batterie, Harvester und Energiewandler ist weltweit einzigartig.

Genauere Messung bei geringerem Energieaufwand

Innovative Sensorlösungen können ebenfalls einen wichtigen Beitrag leisten. Das zeigt ein weiteres Vorhaben im Rahmen von ZEPOWEL, bei dem ein Luftgütesensor mit einer Mikropumpe gekoppelt wird. Die Pumpe dient dabei als Messverstärker, indem sie die zugeführte Luftmenge stark vergrößert. Auf diese Weise entsteht ein Sensor, der deutlich weniger sensitiv gebaut sein müsste, aber gleichzeitig viel genauere Daten liefert. Während heutige Sensoren bei einer Leistung von 1250 mW/s 5000 Messergebnisse liefern können, soll der entwickelte Sensor bei einer Leistung von weniger als 10 Mikrowatt doppelt so viele Messergebnisse pro Sekunde liefern.

Der Beispielsensor soll die Feinstaubbelastung in der Stadt messen. Während Feinstaubmessungen bisher extrem aufwändig waren und deshalb nur an wenigen Knotenpunkten gleichzeitig erhoben werden, soll mit der neuen Technologie eine dichtere und genauere Messung ermöglicht werden. Durch die intelligente Vernetzung der Knoten und Anbindung an gängige Cloud-Plattformen kann ein detailliertes Modell vom Feinstaubausstoß in der Stadt erstellt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreich: Zum Beispiel könnte die Verkehrsfluss-Steuerung sich daran orientieren, oder Navigationssysteme könnten ihre Routen daran anpassen.

Modularer Baukasten für jede Anwendung

Ein grundsätzliches Ziel von ZEPOWEL ist es, keine rein anwendungsspezifischen Knoten, sondern einen modularen Ansatz nach dem Prinzip »Plug and Play« zu entwickeln. »Wir bieten ein Modul für viele Anwendungen: Es ist ein Stecksystem wie mit Legobausteinen. Klick – und schon funktioniert es«, erklärt Erik Jung vom Fraunhofer IZM. Die entwickelte Plattform setzt sich aus Einzelentwicklungen der Institute zusammen, die beliebig kombinierbar sind. Während bisher für jede IoT-Anwendung eine spezifische Hardware-Lösung erstellt wurde, wird in diesem Projekt eine universelle IoT-Hardware entwickelt. Je nach Anwendungszweck kann der Kunde sich dann »seine Rosinen rauspicken«.

Die Partner im Überblick:

Die Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT entwickelt einen hochintegrierten gravimetrischen CMOS Partikelsensor mit einer rauscharmen analogen Signalverarbeitung, einem mehrkanaligen, hochperformanten Analog-Digital-Wandler und anschließender digitaler Signalverarbeitung. Das System wird durch eine Mikroaktorik ergänzt, die eine bedarfsgesteuerte Medienzufuhr erlaubt. Aktorik, Treiberelektronik und Sensorik werden als System-In-Package (SIP) im IoT-Knoten modular verwendet.

Das Fraunhofer-Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnologie ESK konzentriert sich auf die Entwicklung verlässlicher Kommunikationssysteme. Das Institut arbeitet in den Kompetenzbereichen Kommunikationstechnologien und -architekturen und Entwurf und Absicherung für die Branchen Vernetzte Mobilität, Industriekommunikation sowie Smart Grid und Telekommunikation.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt kostengünstige und effiziente Leistungsverstärker und Transceiver-ICs für den mm-Wellen-Frequenzbereichbei 60 GHz auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) auf Silizium. Dieser Ansatz überträgt die hochleistungsfähige GaN-Technologie auf kostengünstige Silizium-Substrate für die Massenanwendung. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS arbeitet an integrierten Ultra-Low-Power-Funkempfängern für ISM Bänder in Standard-CMOS-Technologie. Daneben werden auch Verschlüsselungsverfahren untersucht, die gesicherte Aufweckvorgänge bei minimalem Stromverbrauch ermöglichen.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB forscht an extrem kompakten Leistungswandlern der nächsten Generation, bei denen die Verlustleistung auf ein Minimum reduziert wird und erarbeitet neuartige Technologien zur vorausschauenden Wartung für kognitive Systeme.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS entwickelt eine leistungsminimierte (Ultra-Low-Power) Schaltung für autarke Sensoranwendungen. Enthalten sind Komponenten zur universellen Konditionierung und Analog-Digital-Wandlung von unterschiedlichsten Sensorsignalen, die automatisch zwischen verschiedenen Halbleitertechnologien migriert werden können.

Das Fraunhofer-Institut für PhotonischeMikrosysteme IPMS entwickelt einen ASIC, der die vom Breitband-Harvester aufgenommene Energie in eine Ladespannung für den Akku umwandelt. Alternativ kann die Energie auch auf einem Kondensator gespeichert werden. Außerdem werden Dünnfilmprozesse zur Herstellung funktionaler, lithiumhaltiger Schichten entwickelt und evaluiert, inwieweit diese als nanometerdünne Elektroden- und Elektrolytmaterialien für miniaturisierte Lithiumionen-Akkumulatoren in der Mikroelektronik zur Anwendung kommen können.

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT entwickelt im Projekt einen Breitband-Energy-Harvester für mechanische und magnetische Umgebungsenergie. Die Effizienz des Siliziumbauteils vervierfacht sich im Vergleich zu aktuell verfügbaren Harvestern.

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeitund Mikrointegration IZM führt die einzelnen Komponenten zu miniaturisierten Modulen zusammen, die anschließend je nach Einsatzzweck als Baukasten zusammengestellt werden können. Je nach Anforderung an Rechenleistung, Kommunikationsbedarfund Energieverfügbarkeit werden die geeigneten CPU-Bausteine ausgewählt und mit einer auf Energieminimierung optimierten Firmware programmiert.