Fraunhofer IZM: Basis für Funksensoren
Die Welt der Funksensoren auf einer Plattform
Smart Fabrication, Smart Logistics oder auch Smart Farming: Dezentrale Systeme, bestehend aus verschiedensten Funksensoren, sind täglich im Alltagseinsatz. Bisher benötigt fast jede Anwendung eine individuelle Konfiguration von der Sensorik bis zur Datenauswertung. Am Fraunhofer IZM haben Forscherteams nun eine Plattform entwickelt, die sich modular an die jeweiligen Anforderungen anpassen lässt und somit viel Zeit und Geld sparen soll.
Funksensoren arbeiten in fast allen elektronischen Geräten und umgeben dne Alltag jeden Tag und jede Sekunde: Von der Wetterstation bis zum Raumklima sind Funksensoren auf diverse Messparameter hin spezialisiert. Aber was wäre, wenn eine Plattform alles könnte? Temperatur, Druck, Feuchte, Abstand, Licht, und vieles mehr in einem messen? Damit wäre eine All-in-One-Lösung gefunden, die den Aufbau für verschiedene vorgenannte Anwendungen in der Industrie nicht immer wieder neu, sondern allgemeingültig und somit kostenreduziert ermöglicht.
Vor rund fünf Jahren starteten die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin mit genau dieser ehrgeizigen Aufgabe: Entstanden ist ein umfassendes Ökosystem aus Hard- und Software für eine Sensor-Aktor-Plattform, die modulare Sensoraufbauten mit einer niederschwelligen und schnellen Datenerfassung zur Zustandsüberwachung im industriellen Umfeld ermöglicht.
Wie hat die Gruppe Sensor Nodes & Embedded Microsystems am Fraunhofer IZM dies erreicht? Durch diverse Projekte und Teilergebnisse, die unter anderem vom Leistungszentrum „Digitale Vernetzung“ in Kooperation mit anderen Fraunhofer-Instituten erarbeitet wurden, sind Stück für Stück neue Erkenntnisse und Erweiterungen an der Plattform hinzugekommen. Ein Blick zurück auf die Geschichte der heutigen Funksensorplattform ist lehrreich.
In der ersten Phase von 2017 bis 2018 war das primäre Ziel, eine modulare Hardwareplattform zu entwickeln, die den Großteil der identifizierten Anwendungsbereiche abdeckt. Auf der Hannover Messe präsentierte man damals eine industrielle Anwendung an einem Roboterarm, bei der das verdrahtete Sensormodul die Anwendung des „Condition Monitorings“ (Zustandsüberwachung) im Bereich der Temperatur und Beschleunigung eines Produktionsprozesses skizzierte.
Samer Al-Magazachi, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Technischen Universität Berlin und Kooperationspartner des Fraunhofer IZM, beschäftigt sich bis heute mit dem Thema und schrieb zum damaligen Zeitpunkt seine Masterarbeit über die Erweiterung der Plattform um Ansätze zur Positionsbestimmung mit Bluetooth Low Energy. So entstand das zweite Modell dieser ersten Plattform. Für einen drahtlosen Einsatz der Plattform wurde zudem die Möglichkeit einer Energieversorgung über ein Akku ergänzt, der über USB aufladbar ist. Darüber hinaus integrierte man weitere Sensoren zur Messung von Größen wie Lichtintensität und Luftdruck, und eine präzise Datenermittlung zu genauesten Zeitangaben wurde möglich (Real-Time-Clock).
Am Fraunhofer IZM evaluierte das Forscherteam zeitgleich Anwendungen im Bereich der Fusion von Beschleunigungsdaten mit Radardaten sowie Stresssensoren. Auf der Productronica 2019 demonstrierten die Forschenden mit dem Sensormodul einen Windkanal, der symbolisierte, wie die Datenmessung an einer Maschine oder einem Stahlträger Verformungen als Signal messbar machen kann.
Dies könnte genutzt werden, um das Wartungsintervall der jeweiligen Maschinen zu optimieren oder Teile rechtzeitig auszutauschen, bevor es zu Produktionsausfällen kommt. Für die Datenübertragung entstand zusätzlich zum Akku und der USB-Variante im Rahmen einer Bachelorarbeit die Erweiterung um die Funktechnologie LoRa, ein energieeffizienterer Funkstandard für große Distanzen, aber kleine Datenmengen, der die Sensordaten übertragen kann. Abschließend haben die Forschenden eine Desktopapplikation für Windows, MacOS und Linux programmiert, um die Daten auf einer GUI zu visualisieren, aufzuzeichnen und zu speichern. Man konnte nun die Hardware also auch steuern und auslesen.
In der letzten und aktuellen Version der Plattform mit dem Namen „Swarmy“ wird aus den Technikdemonstratoren eine Sensor-Aktor-Plattform, die Motoren ansteuern und damit ein bewegliches System realisieren kann. Außerdem sind nun diverse Sensoren auf der Plattform ergänzt, wie ein Time-of-Flight-Sensor, ein Sensor für Lichtintensität, ein Gassensor, um die Luftqualität zu messen, ein Mikrofon zur Lautstärkemessung sowie ein Drucksensor.
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