TU BRAUNSCHWEIG
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Informatikzentrum
REAP

Robuste, energieeffiziente drahtlose Sensornetze für realistische Außeneinsatzszenarien durch Adaption von Betriebs-Parametern


Die Einsatzmöglichkeiten von drahtlosen Sensornetzen sind ebenso vielfältig wie herausfordernd. So dienen z.B. in der Landwirtschaft verteilte Sensoren zur Überwachung des Pflanzenwachstums oder zur Bodenanalyse. Hier ist die Robustheit - sowohl der einzelnen Sensorknoten als auch des gesamten Sensornetzes - essentiell für eine erfolgreiche Projektdurchführung bzw. für diverse "Smart Farming"-Ansätze. Dabei haben nahezu alle Umwelteinflüsse auch einen direkten oder indirekten Einfluss auf die Lebensdauer der Knoten bzw. des Netzes; zusätzlich treten in Outdoor-Szenarien starke Schwankungen dieser Umgebungsbedingungen auf. So werden bspw. bedingt durch Sonneneinstrahlung auf einzelnen Sensorknoten Temperaturunterschiede von bis zu 56°C innerhalb eines Tages erreicht, wobei sich außerdem eine starke Heterogenität der Temperaturen zwischen den einzelnen Knoten eines Netzes zeigt.

Um einen längerfristigen Einsatz zu ermöglichen, sollte ein Sensornetz, das solchen Umweltbedingungen unterliegt, besonders robust gegenüber diesen sein und insbesondere die Energieversorgung der einzelnen Knoten gewährleisten. Robustheit wird dabei unter anderem durch eine weitestmögliche Verringerung des Energiebedarfs bzw. Anpassung des Bedarfs an die Erzeugung (oder umgekehrt) erreicht. Des Weiteren können auch einzelne Funktionen (bspw. Aufnehmen, Speichern und Verarbeiten von Daten) - zum einen auf einzelnen Knoten und zum anderen innerhalb des Netzes - zeitlich und örtlich an die jeweiligen Umwelt- und damit Energiebedingungen angepasst und einzelne Aufgaben verschoben werden. Insbesondere in Outdoor-Szenarien ergibt sich dadurch die Situation dass a) manche Knoten aufgrund ihrer aktuellen Temperatur und ihrer individuellen Eigenschaften energieeffizienter als andere Knoten arbeiten können (Heterogenität im Netz) und b) sich ändernde Umgebungsbedingungen (bspw. Sonne/Schatten oder Tag/ Nacht) zu einer dynamischen Veränderung der Energieeffizienz einzelner Knoten oder des gesamten Netzes führen. Auch die Möglichkeiten des Energy-Harvestings unterliegen einer Dynamik.

Durch die kontinuierliche Beobachtung der Umwelt lässt sich Nutzen aus dieser Dynamik ziehen. Realistische Energie- und Zuverlässigkeitsmodelle (hier abgeleitet aus Messwerten) können zusammen mit Informationen über die im Netz befindlichen Knoten auch für Entscheidungen bei der Wegewahl, Aufgabenverteilung und Bearbeitung innerhalb des Netzes genutzt werden. Durch Prädiktion der Umgebungsvariablen lassen sich zusätzlich geeignete Zeitpunkte für rechenintensive Operationen oder für Datenweiterleitung in verzögerungstoleranten Netzen bestimmen. Dafür werden spezifische Scheduler und Routing-Protokolle entwickelt, welche den robusten Betrieb des dynamischen Einflüssen ausgesetzten Sensornetzes ermöglichen. Eine kontinuierliche Evaluation erfolgt in realen Umgebung.

Veröffentlichungen

  • Robert Hartung, Ulf Kulau, Björn Gernert, Stephan Rottmann and Lars Wolf: On the Experiences with Testbeds and Applications in Precision Farming, in Proceedings of the 15th annual international conference on Embedded Networked Sensor Systems, Delft, The Netherlands, ACM, November 2017 (Hartung:Sensys:2017:FAILSAFE, BibTeX, accepted for publication)
  • Robert Hartung, Ulf Kulau and Lars Wolf: Adaptive Wireless Sensor Networks: Robust but Efficient, in IDEA League Doctoral School on Transiently Powered Computing, Delft, The Netherlands, November 2017 (hartung:tpc2017, BibTeX, accepted for publication)
  • Ulf Kulau, Daniel Bräckelmann, Felix Büsching, Sebastian Schildt and Lars Wolf: REAPer - Adaptive Micro-Source Energy-Harvester for Wireless Sensor Nodes, in Twelfth IEEE Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications 2017 (IEEE SenseApp 2017), Singapore, Oktober 2017 (kulau:SenseApp:2017, BibTeX, Folien)
  • Ulf Kulau, Silas Müller, Sebastian Schildt, Arthur Martens, Felix Büsching and Lars Wolf: Energy Efficiency Impact of Transient Node Failures when using RPL, in Proceedings of the 18th IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, WoWMoM 2017, Macau, China, Juni 2017 (Kulau:WOWMOM2017, BibTeX, Folien, accepted for publication)
  • Ulf Kulau, Stephan Rottmann and Lars Wolf: Demo: Brzzz - A Simplistic but Highly Useful Secondary Channel for WSNs, in Proceedings of the International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks, EWSN 2017, Uppsala, Sweden, Februar 2017 (Kulau:EWSN2017, BibTeX, Folien, Poster, Best Demo Award)
  • Ulf Kulau, Johannes van Balen, Sebastian Schildt, Felix Büsching and Lars Wolf: Dynamic Sample Rate Adaptation for Long-Term IoT Sensing Applications, in IEEE World Forum on Internet of Things 2016 (WF-IoT), Reston, USA, Dezember 2016 (kulau:wf-iot:2016, BibTeX, Folien)
  • Georg von Zengen, Robert Hartung, Ulf Kulau, Felix Büsching and Lars Wolf: Low Cost Temperature Controlled Testbed for WSNs, Augsburg, Germany, September 2016 (FGSN:2016, BibTeX)
  • R. Hartung, U. Kulau and L. Wolf: Distributed Energy Measurement in WSNs for Outdoor Applications, in 2016 13th Annual IEEE International Conference on Sensing, Communication, and Networking (SECON), Seite 1-9, Juni 2016 (Hartung:Secon:2016, DOI, BibTeX)
  • R. Hartung, U. Kulau and L. Wolf: Demo: PotatoScope - Scalable and Dependable Distributed Energy Measurement for WSNs, in 2016 13th Annual IEEE International Conference on Sensing, Communication, and Networking (SECON), Seite 1-3, Juni 2016 (Hartung:Secon:2016:Demo, DOI, BibTeX)

Projektmitglieder am IBR

Name EMail Telefon Raum
Dr. Ulf Kulau kulau[[at]]ibr.cs.tu-bs.de +49 531 3913290 110
Robert Hartung hartung[[at]]ibr.cs.tu-bs.de +49 531 3913264 115
Dr. Felix Büsching buesching[[at]]ibr.cs.tu-bs.de +49 531 3913289 132
Prof. Dr.-Ing. Lars Wolf wolf[[at]]ibr.cs.tu-bs.de +49 531 3913288 138

Studentische Arbeiten

Titel Art Betreuer Status
Porting IdealVolting to the RIOT Operating System with respect to utilizing low power management Projektarbeit Robert Hartung, Dr. Ulf Kulau offen
Design, Implementation and Evaluation of an online-system for the INGA platform to learn temperature dependency Bachelorarbeit, Masterarbeit Robert Hartung offen
Design, Implementation and Evaluation of a RPL Objective Function for robust and energy efficient WSNs Masterarbeit Robert Hartung offen
Optimierung, Parallelisierung und Erweiterung des COOJA-Simulators Teamprojektarbeit Robert Hartung offen
Evaluation von transienten Knotenausfällen im FIT/IoT-Lab Bachelorarbeit, Projektarbeit Dr. Ulf Kulau offen
Risk-oriented Task Scheduling for Wireless Sensor Nodes Bachelorarbeit, Masterarbeit, Projektarbeit Dr. Ulf Kulau offen
Development of a battery test card to measure temperature effects on batteries Masterarbeit Robert Hartung laufend
An adaptive prediction approach for low power WSN Masterarbeit Dr. Ulf Kulau laufend
Energy Harvesting für Sensorknoten unter Nutzung der Bodentemperatur Bachelorarbeit Dr. Ulf Kulau laufend
Entwicklung eines Micro-Source-Energy-Harvesters für Sensorknoten Masterarbeit Dr. Ulf Kulau abgeschlossen
Datenerhebung von IEEE 802.15.4 Radios unter verschiedenen Temperatureinflüssen Bachelorarbeit Dr. Ulf Kulau, Robert Hartung abgeschlossen
Abhärtung des RPL-Protokolls gegen transiente Knotenausfälle Masterarbeit Dr. Ulf Kulau abgeschlossen

Bei Interesse an einer Studien-, Diplom-, Bachelor-, Master- oder sonstiger Arbeit im Bereich dieses Projekts bitte einfach Dr. Ulf Kulau kontakieren.

Sonstiges

Förderung

DFG Dieses Forschungsvorhaben wird unter der Fördernummer BU 3282/2-1 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.


aktualisiert am 01.02.2017, 12:50 (dynamischer Inhalt) von Dr. Ulf Kulau
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