Drahtlose Sensornetzwerke: Monitoringansätze und Netzarchitekturen

Diana Kostova, März 2015; Jonas Harmeling, Juli 2016

English translation

Eine kontinuierliche Strukturüberwachung (von engl. SHM – structural health monitoring) mit drahtlosen Sensornetzwerken (von engl. WSN – wireless sensor networks) ermöglicht die Feststellung des Zustandes von Bestandsbauwerken und liefert Aussage über die Lebensdauer des betrachteten Bauwerks. Im Gegensatz zu drahtgebundenen Netzen, sind WSN einfach einzusetzen und flexibel in ihrer Anwendung, so dass sich das Netzwerk der Bauwerksstruktur individuell anpassen kann. ^[1] Die Zustandsüberwachung wird aufgrund der unterschiedlichen Arten der Messwerterfassung in ereignisbasierten und zeitdiskreten Monitoring unterteilt.

Monitoringansätze

Monitoring auf der Basis der MEMS-Sensortechnik

Der Einsatz von Mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) bei der Zustandsüberwachung reduziert die Kosten für das Monitoring. MEMS bestehen aus elektrischen und mechanischen Komponenten. Die erfassten Messwerte müssen kontinuierlich über Internet oder SMS-Protokolle übertragen werden. Mithilfe von Multi-Hop Netzwerken wird die erfasste Information über geringe Entfernungen von einigen zehn Metern zwischen einzelnen Knoten und der Basisstation übertragen. Die Basisstation sammelt die Messdaten, speichert die in Datenbanken und führt eine Datenanalyse durch, bis die Messwerte von dem Nutzer angefordert. Eine Alarmmeldung wird ausgelöst, wenn aus der Datenanalyse Fehler im untersuchten System erkannt werden. Die Zentraleinheit erlaubt drahtlose Verwaltung, Kalibrierung und Umprogrammierung von den Sensorknoten, um die Wirksamkeit des Systems aufrechtzuerhalten. Die Datenerfassungs- und Signalverarbeitungseinheit verfügt über einen Schwachstrom-Mikrokontroller mit integriertem A/D-Wandler und einen ausreichenden Datenspeicher. ^[1]

Zeitdiskretes Monitoring

Zeitdiskretes Monitoring ist aufgrund der einfachen Realisierbarkeit die gebräuchlichste Variante und hat als Basis das Zeitintervall zwischen zwei Messungen. Ein Zeitsignal löst den Messvorgang aus und dient als Ereignis. Der Unterschied zwischen zeitdiskreten und ereignisbasierten Monitoring liegt darin, dass die Zeit in dem zeitdiskreten Monitoring ein Globalwert ist. Die gewählten Zeitintervalle sollen in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern variieren. Der Nachteil von zeitdiskretem Monitoring liegt darin, dass die Sensoren unabhängig von den Einwirkungen auf das Bauwerk zwischen den Messzeitpunkten keine Werte erfassen können. ^[3]

Ereignisbasiertes Monitoring

Ereignisbasiertes Monitoring wird eingesetzt, wenn die gemessenen Einzelwerte nur unter bestimmten temporären Einwirkungen auftreten. Beispiele für solche Einwirkungen sind Wind und Schnee, Erdbeben und bestimmte Verkehrslasten. Die Einwirkungen dienen als auslösendes Ereignis und der Messvorgang wird gestartet. Dabei ist zu beachten, dass die Zeit als einer der Messwerte ausgegeben wird. Der Vorteil vom ereignisbasierten Monitoring liegt in der Bandbreite der möglichen Reaktionen auf die Ereignisse. Das Ereignis kann eine Kombination von unterschiedlichen Reaktionen auslösen und somit einzelne Sensorknoten, eine Signalanalyse oder eine Alarmmeldung einschalten. ^[3] Die Schwierigkeit liegt darin, alle kritischen Ereignisse als solche zu interpretieren, was einen großen Energieverbrauch der Sensorknoten als Folge haben kann. Deshalb werden bei einem ergebnisbasiertem Monitoring Sensoren mit einem geringen Energiebedarf bevorzugt, was die Auswahl der Sensorknoten beschränkt. Auf MEMS-Basis sind einige Lösungen verfügbar und werden z.B. bei der Überwachung von Eisenbahnbrücken und bei Erkennung von Bruchvorgängen eingesetzt. In einem drahtlosen Sensornetzwerk wird ein Teil der Datenanalyse in dem Sensorknoten durchgeführt, um die Bauwerksveränderungen zu ermitteln und die Informationsmenge aus der Messwertenerfassung zu reduzieren. Eine Datenreduktion in dem Sensorknoten verringert den Energieverbrauch bei der Datenübertragung. Eine Datenreduktion erfolgt mit der Durchführung von einfachen Funktionen wie die Ermittlung von Maximal-Minimum- und Durchschnittswerte oder mit komplexeren Analysen, die eine Bestimmung der Seilkraft einer Schrägseilbrücke oder die Ermittlung der maßgebenden Eigenfrequenz ermöglichen. Eine komplexe Datenanalyse der Messwerte macht eine Implementierung von aufwendigen Algorithmen im Speicher der Knoten erforderlich. ^[2]

Bestehende Monitoringskonzepte

Smartmote^ws

Die erfassten Messwerte aus der Bauwerksüberwachung werden in den Sensorknoten verarbeitet und an die Basisstation gesendet. Der Smartmote^ws beinhaltet einen Microcontroller MSP430 F1611 mit 10 kB RAM und 48 kB Programmspeicher. Ein RISC-Prozessor bietet ein Stromsparmodus mit einem geringen Standby-Verbrauch, was eine lange Arbeitszeit des Sensorknotens ermöglicht. Ein drahtloser Transceiver arbeitet auf Basis des ZigBee-Standards. Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 250 kbps. Aufgrund seines modularen Konzeptes kann ein Teil des Energiebedarfs mit Superkondensatoren oder durch Solarmodule gedeckt werden. Für die Bauwerksüberwachung mit Smartmotews können diverse Sensorarten eingesetzt werden - Dehnmessstreifen, MEMS, Beschleunigungssensoren, Sensoren für die Ermittlung der Temperatur und Feuchte. Die Kommunikation zwischen den Sensorknoten und der Basisstation Smartgatews ist bei Entfernung von mehreren hundert Meter möglich. Smartgatews ist ein Industrie-PC mit Linux-Betriebssystem und GPRS/UMTS–Modem. Die erfassten Messwerte werden über das Internet übertragen und in einer SQL-Datenbank gespeichert. ^[4]

Smartbrick^®

Smartbrick^® ist ein Überwachungssystem für Anwendungen mit einer geringen Anzahl von Sensoren, das sich von dem üblichen Aufbau eines Sensornetzwerkes unterscheidet: Das System besteht aus selbst-referenzierenden Sensoren. Die Kommunikation erfolgt über das Mobilfunknetz per GSM/GPRS. Zusätzlich zu den typischen Eigenschaften der Sensornetzwerke verfügt Smartbrick® über ein Triggersystem, welches auf Beschleunigungsspitzen von in dem für Bauwerksschwingungen typischen Frequenzbereich empfindlich ist. Das Auslösesystem hat einen geringen Energieverbrauch von weniger als 66 µW und kann durchgehend eingeschaltet bleiben ohne große Auswirkungen auf die Batterielebensdauer zu haben. Das Gerät kann innerhalb von 150 ms eingeschaltet und dynamische Ereignisse können von bis zu acht unabhängigen Quellen erfasst werden. Die maximale Abtastrate beträgt 4100 S/s und eine Speichertiefe von 64 k. Das Überwachungssystem wird für die Messung der Umgebungstemperatur, der Neigung mehrerer Achsen und Triaxial-Beschleunigungssensor erfassen. Vorkonfigurierte Eingänge gibt es für zusätzliche Sensoren wie Dehnmessstreifen, Weg- und Kraftaufnehmer, Feuchtesensoren und Laser-Wegmesssensoren. ^[4]

CulturBee

Wissenschaftler aus der Linköping Universität in Schweden haben ein netzwerkbasiertes System unter den Namen CulturBee entwickelt, um historische und kulturelle Bauten zu überwachen. CulturBee kann auch unter harten Umweltbedingungen eingesetzt werden. Dabei können drahtlose Sensornetzwerke benutzt werden, um die relative Feuchte oder Temperatur zu ermitteln. Andere Sensorarten können zusätzlich angeschlossen werden. Bei einem Abtastintervall von fünfzehn Minuten beträgt die Batterielebensdauer zehn Jahre. Zwei unterschiedliche Arten von Sensorknoten wurden entwickelt: ZigBees Sensormodul kann die Temperatur und die relative Feuchte ermitteln und wird im Netzwerk als Endgerät eingesetzt. ZigBees Funk-Technologie verfügt über einen externen Leistungsverstärker und Low-Noise-Verstärker. Mit einer zusätzlichen Adapterbaugruppe kann das Modul die Funktion von einem Koordinator oder einem Router übernehmen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz als Endgerät, um die Kommunikation mit anderen Sensorarten zu ermöglichen. Sobald der Strom eingeschaltet wird, wird vom Koordinator ein lokales Netzwerk erstellt und Verbindungen zwischen den Geräten hergestellt. Eine Verbindung zwischen dem drahtlosen Sensornetzwerk und dem Remote-Hauptserver wird über GPRS/3G/Ethernet hergestellt. ^[4]

Essebi

Das Überwachungssystem wurde von der Firma Essebi in Italien entwickelt und beinhaltet einige Analogeingangsknoten NI WSN-3202 mit bidirektionalen 4-Kanälen. Die Datenübertragung zum Gateway entspricht dem Standard IEEE 802.15.4. Ein Knoten kann unterschiedliche Sensoren enthalten, z.B. lineare Dia Potentiometer, Neigungsmesser und Druckmessdosen. Der vierte Kanal ist immer für Temperaturmessungen vorbestimmt. Der Gateway des drahtlosen Netzwerks ist über Ethernet mit einem PC verbunden. Ein Fernzugriff des Nutzers per GSM Modem ist möglich. Eine Verbindung mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren ist möglich, wenn ein cRIO-Gerät als Gateway benutzt wird. ^[4]

Netzarchitektur

Die Sensorknoten befinden sich üblicherweise verstreut in einem Sensorfeld. Jeder Knoten in dem Feld verfügt über die Fähigkeit, Messdaten zu sammeln und die Information zurück zu dem Gateway zu übertragen. Der Gateway befindet sich in der Nähe vom Sensorfeld und sendet Anfragen zu den Sensorknoten, sammelt die Messdaten, führt einfache Verarbeitung der Daten durch und leitet die verarbeitete Information via Internet oder Satellit zu dem Benutzer. Die Übertragungsart der Messdaten bestimmt die Netzarchitektur. ^[6]

Single-Hop Netzwerk

In einem Single-Hop Netz sendet jeder Sensorknoten Informationen direkt zu dem Gateway. Diese Art der Übertragung hat einen großen Energieverbrauch. In einem drahtlosen Sensornetzwerk wird mehr Energie für die Informationsübertragung verbraucht als für die Datenermittlung. Das Verhältnis von dem Energieverbrauch für die drahtlose Übertragung von einem Bit und deren Verarbeitung kann zwischen 1000 bis 10000 betragen. Die benötigte Energie für die Übertragung wächst exponentiell mit der Länge der Übertragungsstrecke. Diese Art der Netzarchitektur wird bei kurzen Übertragungsstrecken zwischen Knoten und Gateway verwendet. ^[6]

Multi-Hop Netzwerk

Bei kurzen Übertragungsstrecken zwischen den Sensorknoten werden Multi-Hop Netze eingesetzt. Bei einer Multi-Hop-Übertragung werden die Messwerte an dem Gateway mithilfe von Zwischenknoten gesendet, welche den Gesamtenergieverbrauch für die Übertragung verringern können. Die Multi-Hop Architektur kann in zwei Arten unterteilt werden: ^[6]

Flache Architektur

In einem flachen Netzwerk erfüllt jeder Sensorknoten die gleiche Aufgabe und alle Sensorknoten sind Peers. Aufgrund der großen Gesamtanzahl der Sensorknoten ist es nicht möglich, eine globale Basisstation allen Sensorknoten zuzuordnen. Aus diesem Grund erfolgt die Datenerfassung durch datenbasierte Weiterleitung. Der Gateway übermittelt eine Anfrage zu allen Sensorknoten innerhalb seines Erfassungsbereiches. Dabei reagieren nur die Sensorknoten mit der Information, die der Abfrage entsprechen. Die Sensorknoten übertragen die Information per Multi-Hop und nutzen die Nachbarknoten als Relais. ^[6]

Hierarchische Architektur

In einem hierarchischen Netzwerk werden die Sensorknoten in Cluster gruppiert. Dabei sendet jeder Cluster-Knoten Information an ihren Cluster-Kopfknoten, die die Funktion von Relais übernehmen und die Messwerte an dem Gateway weiterleiten. Dieser Prozess kann den Energiebedarf für die Kommunikation verringern, den Datenverkehr ausgleichen. In dem Fall eines zunehmenden Netzwerks wird die Skalierbarkeit verbessert. Da alle Sensorknoten über die gleiche Leistungsübertragung verfügen, muss das Clustering regelmäßig durchgeführt werden, um dem Datenverkehr zwischen den Knoten auszugleichen. Datenaggregation ist möglich in den Cluster-Kopfknoten, um die Datenmenge zu reduzieren und die Energieeffizienz des Sensorknotens zu verbessern. Die Sensornetzwerke können aufgrund der Cluster-Strategie in Single-Hop Clustering Architektur und Multi-Hop Clustering Architektur unterteilt werden. Gemäß der Anzahl der Schichten in der Clustering Hierarchie, kann ein Sensornetzwerk in Ein- oder Mehr-Schichten-Architektur unterteilt werden. Die Verbindung zwischen dem Gateway und dem Taskmanager erfolgt via Internet oder Satellit. Die Gestaltung eines Sensornetzwerkes hängt von vielen Faktoren ab: Fehlertoleranz, Produktionskosten, Betriebsumfeld, Netzwerktopologie, Stromverbrauch, Hardwareeinschränkungen und Übertragungsmedien. In Abhängigkeit von der Art der Datenerfassung können WSN in drei Kategorien unterteilt werden: Homogene Sensornetzwerke, heterogene Sensornetzwerke und hybride Sensornetzwerke: ^[6]

Homogenes Sensornetzwerk

Ein homogenese Sensornetzwerk besteht aus Basisstationen und alle Knoten haben die gleichen Sensoren. Somit kann jeder Knoten die Messdaten erkennen. In dem Fall, dass einer der Sensoren im Knoten ausfällt, wird der ganze Knoten unbrauchbar. ^[6]

Heterogenes Sensornetzwerk

Ein heterogenes Sensornetzwerk beinhaltet Basisstationen (fest oder mobil), Sensorknoten und Knoten mit integrierten fortgeschrittenen Verarbeitungstechnologien und Kommunikationsmöglichkeiten im Vergleich zu üblichen Sensorknoten. Die Datenerfassung kann in den mobilen Basisstationen erfolgen. In solchen Netzwerken bewegt sich die mobile Basisstation willkürlich innerhalb des gesamten Netzwerks, sammelt die Messwerte direkt von den Sensorknoten oder benutzen die benachbarten Sensorknoten für die Datenübertragung. In dem Fall, dass einzelne Sensorknoten weit entfernt voneinander liegen, erhöht sich der Energieverbrauch für die Kommunikation. Aus Untersuchungen an heterogenen Sensornetzwerken erfolgt, dass die Datenerfassung von mobilen Basisstationen die Betriebszeit des Systems verlängern kann. ^[5]

Hybrides Sensornetzwerk

In einem hybriden Sensornetzwerk arbeiten mehrere Basisstationen zusammen, um eine schnelle Datenerfassung in Echtzeit zu ermöglichen. Messwerte werden an mehreren mobilen Basisstation weitergegeben. Die Routing-Algorithmen für Ad-Hoc Netzwerke können als Routing-Protokollen angenommen werden. Mobile Ad-Hoc Netzwerke (MANET) nehmen an, dass jeder Knoten sich in seinem eigenen Tempo bewegen kann. Obwohl WSN mehr eingeschränkt im Vergleich zu anderen drahtlosen Netzwerken sind, kann die Datenweiterleitung zwischen den Basisstationen mit MANET Protokolle erfüllt werden. In dem Fall, dass die Position der Basisstation nicht ermittelt werden kann oder bei unterbrochenen Kommunikationsmöglichkeiten zwischen den Basisstationen, lohnt es sich, die Methoden für Mobile Ad-Hoc Netzwerke bei WSN zu übernehmen. In einem hybriden Sensornetzwerk erfolgt die Kommunikation der mobile Basisstation mit anderen Sensorknoten durch WSN Protokoll und mit anderen Basisstationen mithilfe von MANET Protokolle. Hybride Netzwerke weisen eine längere Lebensdauer auf und können die Effizienz der Datenerfassung erhöhen. ^[6]

Literatur

1. Krüger, M.; Grosse, C.: Wireless Acoustic Emission Sensor Networks for Structural Health Monitoring in Civil Engineering. Proc. European Conf. on Non-Destructuive Testing (ECNDT), DGZfP BB-103-CD. Berlin, 2006.
2. Krüger, M.; Grosse, C.: Ereignisbasierte Messwerterfassung in drahtlosen Sensornetzwerken für die Strukturüberwachung. tm-Technisches Messen 76 No. 12. 2009.
3. Krüger, M.; Grosse, C.: Structural health monitoring with wireless sensor networks. Otto-Graf-Journal 14. 2004.
4. Grosse, C.: Wireless monitoring of historic structures using sensor networks – an overview about several recent implementations. Towards intelligent civil infrastructure (eds. A. Amditis et al.), Proc. 2nd MEMSCON Workshop, Athens, Greece, MEMSCON, Athens. 2012. ISBN 978-960-93-3846-2.
5. Akyildiz, I. F.; Su, W.; Sankarasubramaniam, Y.: A survey on sensor networks. 8, s.l.: IEEE Communications Magazine. 2002.
6. Zheng, J.; Jamalipour, A.: Wireless Sensor Networks: A Networking Perspektive. s.l.: John Wiley & Sons, Inc. 2009.