Modulare Low-Power-Plattform Wie IoT-Systeme grüner werden können

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Wir sind umgeben von unzähligen Sensoren, die Daten sammeln, analysieren und interpretieren. Der Bedarf vernetzter Geräte im IoT wächst, doch die Geräte müssen sparsam mit Energie umgehen. Das untersuchen Wissenschaftler im Projekt ZEPOWEL.

Vor mehr als fünf Jahren hatten sich eine Handvoll Forscher erstmals zusammengefunden, um ein Leitprojekt der Fraunhofer-Gesellschaft auf die Beine zu stellen. Ziel war es, ein flächendeckendes und umweltfreundlicheres Internet der Dinge für alle vernetzten IoT-Systeme der Zukunft zu realisieren. Die Idee der Spezialisten aus unterschiedlichen Disziplinen, die von integrierter Sensorik und Signalverarbeitung über Energiegewinnung aus der Umgebung und verbesserter Speichertechnologien bis hin zu effizienter, drahtloser Kommunikation reichen, war auch schnell formuliert: Es müsste eine Technologie- und Methodikplattform geben, die modular auf hochintegrierte und extrem energieeffiziente Anwendungen zugeschnitten werden kann.

An der Plattform beteiligt sind unterschiedliche Forscher von neun Fraunhofer-Standorten. Vorgestellt wurde das Projekt vergangenes Jahr bei der Abschlussveranstaltung einem hochrangigen Gremium aus Industrie und Wissenschaft. Jetzt beginnt die Verwertung der Ergebnisse und somit die Möglichkeit für unterschiedliche Umsetzungen der Sensorsysteme. Das reicht von der Landwirtschaft, der Fertigungsindustrie bis hin zu ganzheitlichen Systemen für ein effektives und nachhaltiges Internet der Dinge.

Der Energiebedarf von IoT-Geräten weiter senken

Zurück zum Projektstart 2017 und dem aktuellen Stand der Technik: Egal, ob man das eigene Haus vor Einbrechern schützen oder die Maschinen in einer Fabrik im Blick behalten will: Sensoren überwachen und steuern und sie melden, wenn plötzlich ein Fenster geöffnet wird, oder registrieren, dass eine Maschine im Leerlauf dreht und Energie vergeudet.

Mithilfe eines Mikrocontrollers analysieren die winzigen Geräte die Situation, um dann über eine Funkeinheit ein Signal zu geben oder gar Anweisungen entgegenzunehmen. Angesichts der wachsenden Zahl dieser Geräte, der sogenannten Sensorknoten, sprechen Fachleute vom Internet der Dinge (IoT) – von zukünftig vielen Millionen Geräten im Eigenheim oder in der Industrie, die über das Internet miteinander verbunden sind. Die zunehmende Vernetzung der physischen mit der digitalen Welt durch das Internet der Dinge eröffnet zahlreiche neue Lösungen zur Automatisierung von Prozessen, die mit bisherigen klassischen Konzepten nicht denkbar waren.

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Video: Das Leitprojekt ZEPOWEL

Doch die Sensorknoten verbrauchen bislang selbst viel Energie. Bereits im Jahr 2013 entsprach der Energieverbrauch aller vernetzten Geräte weltweit gemäß einer Studie der Internationalen Energieagentur in Paris dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie von ganz Deutschland. Obwohl sich die Technik für das IoT durchaus positiv entwickelt hat, so erlangte das Internet der Dinge noch keinen entscheidenden Durchbruch. Das liegt vor allem am Energieverbrauch der IoT-Hardware. Dieser entscheidet, um den hohen Anforderungen der Industrie an die Skalierbarkeit, Leistungsfähigkeit und Robustheit der Systeme gerecht zu werden.

Neun Fraunhofer-Institute arbeiten an Zero Power

Für die umweltgerechten Ausgestaltung einer digitalen, vernetzten und nachhaltigen IoT-Welt sind effiziente Anwendungen notwendig, die insbesondere das Thema Energie aus einer ganzheitlichen Sicht betrachten. Daran knüpft das Fraunhofer Leitprojekt ZEPOWEL. Das Akronym steht für Towards Zero Power Electronics und in dem Projekt bündelt man die Expertise und Technologie von neun Fraunhofer-Standorten für einen optimierten Energieverbrauch von IoT-Elektronik in Richtung „Zero Power“.

Zu den einzelnen Bausteinen der Plattform gehören:

• ein am Fraunhofer IZM in Berlin entwickelter Ultra-Low-Power „IoT-Core“ für eine skalierbare Rechen- und Steuereinheit. Sie stellt flexible Schnittstellen bereit, um die Ergebnisse der neun Institute in Form einer Plattform zusammenzuführen und den Energiebedarf des Gesamtsystems zur Laufzeit minimiert,

• ein hocheffizienter DC-DC-Wandler (Fraunhofer IISB, Erlangen),

• ein stromsparender, sicherer WakeUp-Receiver, um die Systemlatenz zu minimieren (Fraunhofer IIS, Erlangen),

• energieoptimierte Multi-Hop-Netzwerke (Fraunhofer IKS, München),

• ein kompakter Low-Power-Transceiver mit 60 GHz (Fraunhofer IAF, Freiburg), um große Datenmengen zu übertragen,

• ein Analog-Frontend mit niedrigem Energieverbrauch und effizienter Bereitstellung von Energie (Fraunhofer IIS-EAS, Dresden),

• ein miniaturisierter Sensor für Partikel (Fraunhofer EMFT, München),

• ein Breitband-Piezo-Harvester (Fraunhofer ISIT, Itzehoe) und

• verbesserte Techniken zum Energiespeichern (Fraunhofer IPMS, Dresden).

Durch den modularen Ansatz und die flexiblen Schnittstellen ergeben sich unterschiedliche Anwendungsgebiete von der Fertigungsindustrie über die Landwirtschaft bis hin zur Logistik. Die gemeinsamen Ergebnisse wurden an zwei Marktsegmenten des Internets der Dinge demonstriert: Smart City und Smart Fabrication.

Für das Smart-City-Szenario gibt es autarke, mobile Sensorknoten, welche beispielsweise Stickoxide oder Feinstaubbelastung erfassen und die Luftqualität in Städten in Echtzeit überwachen können. Im Smart-Fabrication-Szenario kommen statische Knoten zum Einsatz. Sie ermöglichen eine Überwachung und Fernkonfiguration der im Projekt entwickelten DC-DC-Wandler, um möglichst verlustfrei dezentrale Energiespeicher an Energienetze anzukoppeln. Sie lassen sich auch als IoT-Knoten für die vernetzte Produktion einsetzen, um den Betriebszustand von Maschinen, Motoren oder Pumpen zu erfassen und fernzusteuern.

Modulare Rechen- und Steuereinheit als Kern der Plattform

Den Kern der ZEPOWEL-Plattform bildet eine konfigurierbare, modulare Rechen- und Steuereinheit (IoT-Core), die sich durch eine Ultra-Low-Power-Architektur vom aktuellen Stand der Technik abhebt. Der IoT-Core bündelt Einzelergebnisse zu einem Gesamtsystem und wurde am Fraunhofer IZM in Berlin innerhalb der Gruppe „Sensor Nodes & Embedded Microsystems“ als skalierbare, modulare Low-Power-Plattform mit dem Ziel entwickelt, verschiedene Sensoren, Aktuatoren und Infrastrukturen zusammenzuführren.

Beim IoT-Core lassen sich die funktionalen Systembausteine zusammen mit dem adaptiven Powermanagement konfigurieren, um die Einsparpotenziale einer komplexen Sensorarchitektur besser nutzen zu können und damit den Gesamtenergieverbrauch zu senken. Dazu werden energierelevante Informationen über geeignete Schnittstellen bereitgestellt. Je nach Anforderungen an Rechenleistung, Kommunikationsbedarf und Energieverfügbarkeit kann man einzelne Systemkomponenten der Projektpartner sowie weitere Module aktivieren oder deaktivieren sowie mit einer auf Energieminimierung ausgerichteten Konfiguration versehen. Dazu ist die Hardware entsprechend ausgelegt und mit Firmware ausgestattet, so dass umfangreiche Messkampagnen möglich werden. Für bestimmte Konfigurationen konnten die Wissenschaftler bereits ein Energiesparpotential von bis zu Faktor fünf nachweisen.

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Industrielle Automatisierung und Umweltmesstechnik

Darüber hinaus führte das Fraunhofer IZM als Systemintegrator einzelne Komponenten zu kompakten Modulen zusammen, die sich anschließend je nach Einsatzzweck als eine Art Baukasten zusammenstellen lassen. Dank der Partitionierung der Funktionsmodule konnte noch vor Ende der Projektlaufzeit das System in der industriellen Automatisierung und der Umweltmesstechnik eingesetzt werden.

Für die Gesamtintegration kam eine robuste Integrationstechnik zum Einsatz, die einerseits eine hohe Integrationsdichte erlaubt und auf der anderen Seite auch Aspekte der möglicherweise prozessnahen Anwendungsbedingungen berücksichtigt. Die Plattform ist in einem Starr-Flex-Aufbau realisiert und kann zu einem Quader gefaltet werden. Die Außendimension des Moduls beträgt nach der Faltung 34 mm x 16 mm x 13 mm. Die starren Leiterplatten des Core-Moduls haben sechs und die Flexbereiche zwei Lagen.

Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Anpassung des Hochspannungspfads auf 50 Ohm. Die HF-Strecke verläuft vom HF-Output des 868-MHz-Transceivers an der starren Leiterplatte auf der Innenseite, über den Flexbereich bis zur Antenne an der Außenseite. Für das Design hat man die Leiterbahnbreiten entsprechend klein dimensioniert und Blind sowie Buried Vias (Durchkontaktierung) eingesetzt.

Algorithmen passen den Energiebedarf zur Laufzeit an

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter am Fraunhofer IZM arbeiten daran, Einsparpotentiale von Elektronik zu ermitteln und mit adaptiver Software an dynamische Änderungen in der Umwelt anzupassen. So können nicht nur Laufzeiten von elektrischen Systemen und damit auch elektronische Produkte verlängert, sondern durch Methoden des maschinellen Lernens auch IoT-Anwendungen mit langlebigeren und zuverlässigeren Algorithmen hinterlegt werden. Im Projekt ZEPOWEL war man in der Lage, erste Algorithmen auf dem Mikrocontroller zu implementieren, die sich an eine dynamische Umgebung anpassen können und zur Laufzeit des Systems den Energieverbrauch senken. In den nächsten Jahren werden derartige Algorithmen ihr volles Potenzial entfalten und den Energieverbrauch von Elektronik weiter in Richtung Zero Power treiben.

Weiterhin arbeiten die Forscher des Fraunhofer IZM mit dem ebenfalls im Projekt ZEPOWEL beteiligten Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS an der Entwicklung der notwendigen Techniken und Prozesse für eine neuartige Mikrobatterie.

Das Projekt werden wir in einem separaten Beitrag näher vorstellen. Speziell wird es darum gehen, auf immer kleinerem Raum immer größere Energiemengen zu speichern sowie solche Speicher in Form kleiner Bauelemente herzustellen.

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Elektronik Praxis erschienen.

* Jan Hefer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin.

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