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.

Teilprojekte

• Longterm measurement of the soil temperature

  

  This experiment was used to measure the soil temperature in different depths. Using this

• REAPer

  

  The reaper is a test platform for energy harvesting. Its purpose is to provide a generic interface for energy sources and energy storages. Commonly used are super capacitors as storage and solar panels or peltier elements for harvesting.

  Additionally, the platform integrates a programmable voltage supply, a secure co-processor and a generic header for the base board holding the actual MCU.

  The platform allows to test different MCUs in an energy harvesting sensor node.

• Low-Cost Temperature Chamber

  

Poster

Veröffentlichungen

• Ulf Kulau, Silas Müller, Sebastian Schildt, Felix Büsching and Lars Wolf: Investigation & Mitigation of the Energy Efficiency Impact of Node Resets in RPL, in Ad Hoc Networks, 2021 (Kulau:AdHoc-Networks-2021, DOI, BibTeX, accepted for publication)
• Sven Pullwitt, Robert Hartung, Ulf Kulau and Lars Wolf: Towards Accurate Bit Error Simulation in Wireless Sensor Networks Including Environmental Influences, in Journal of Computer Science and Technology, Jg. 35, Nr. 4, Seite 809, Journal of Computer Science and Technology, 2020 (pullwitt:jcstcooja, DOI, BibTeX)
• Robert Hartung, Rasmus Antons, Ulf Kulau and Lars Wolf: DUO: Integration of Dependable Undervolting in Operating Systems, in Proceedings of the 7th International Workshop on Energy Harvesting & Energy-Neutral Sensing Systems, ENSsys'19, New York, NY, USA, Seite 56-57, ACM, 2019 (Hartung:2019:DID:3362053.3363487, DOI, BibTeX)
• Sven Pullwitt, Robert Hartung, Ulf Kulau and Lars Wolf: Towards Accurate Bit Error Simulation in Wireless Sensor Networks Including Environmental Influences, in 2019 IEEE 16th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems (MASS), Seite 82-90, 2019 (PullwittHartungCoojaBitErrors, BibTeX)
• Robert Hartung, Jan Käberich, Lars C. Wolf, Laura Marie Feeney, Christian Rohner and Per Gunningberg: Demo: Integration of a Platform for Energy Storage Experiments into a Generic Testbed Framework, in Proceedings of the 12th International Workshop on Wireless Network Testbeds, Experimental Evaluation & Characterization, WiNTECH '18, New Delhi, India, Seite 77-78, ACM, November 2018 (Hartung:2018:DIP:3267204.3268069, DOI, BibTeX, Poster)
• Robert Hartung, Ulf Kulau, Niels Lichtblau and Lars C. Wolf: A Flexible Software Framework for Real-World Experiments and Temperature-Controlled Testbeds, in Proceedings of the 12th International Workshop on Wireless Network Testbeds, Experimental Evaluation & Characterization, WiNTECH '18, New Delhi, India, Seite 30-37, ACM, November 2018 (Hartung:2018:FSF:3267204.3267207, DOI, BibTeX, Folien)
• Robert Hartung, Jan Käberich, Lars C. Wolf, Laura Marie Feeney, Christian Rohner and Per Gunningberg: A Platform for Experiments with Energy Storage Devices for Low-power Wireless Networks, in Proceedings of the 12th International Workshop on Wireless Network Testbeds, Experimental Evaluation & Characterization, WiNTECH '18, New Delhi, India, Seite 68-76, ACM, November 2018 (Hartung:2018:PEE:3267204.3267208, DOI, BibTeX)
• Robert Hartung: On the Challenges in Energy-Constrained Outdoor Wireless Sensor Networks: Trade off between Efficiency and Robustness, Doctoral Collquium, Shenzhen, China, November 2018 (hartung:sensys18:dc, BibTeX, Folien)
• Ulf Kulau, Daniel Szafranski and Lars Wolf: Effective but Lightweight Online Selftest for Energy-Constrained WSNs, in Thirteenth IEEE Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications 2018 (IEEE SenseApp 2018), Chicago, USA, Oktober 2018 (kulau:SenseApp:2018, BibTeX, Folien, Best Paper Award)
• Jana Huchtkötter, Andreas Reinhardt and Ulf Kulau: PulseHV: Opportunistic Data Transmissions over High Voltage Pulses for Smart Farming Applications, in Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems, DCoSS 2018, New York, USA, Juni 2018 (Kulau:DCOSS2018, BibTeX, Runner-up for best paper)
• Sven Pullwitt, Ulf Kulau, Robert Hartung and Lars C. Wolf: A Feasibility Study on Energy Harvesting from Soil Temperature Differences, in Proceedings of the 7th International Workshop on Real-World Embedded Wireless Systems and Networks, RealWSN'18, Shenzhen, China, Seite 1-6, ACM, 2018 (Pullwitt:2018:FSE:3277883.3277886, DOI, BibTeX)
• Robert Hartung, Ulf Kulau and Lars Wolf: Adaptive Wireless Sensor Networks: Robust but Efficient, in Proc. IDEA League Doctoral School on Transiently Powered Computing, Delft, The Netherlands, IDEA League (TU Delft, RWTH Aachen University, ETH Zurich, Chalmers University, Politecnico di Milano), November 2017 (hartung:tpc2017, BibTeX)
• 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, Runner-up for best paper)
• 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)
• 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)
• 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 First ACM International Workshop on the Engineering of Reliable, Robust, and Secure Embedded Wireless Sensing Systems, FAILSAFE'17, Delft, The Netherlands, Seite 54-61, ACM, 2017 (Hartung:Sensys:2017:FAILSAFE, DOI, BibTeX, Folien)
• 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

Studentische Arbeiten

Bei Interesse an einer Projekt-, Bachelor-, Master- oder sonstiger Arbeit im Bereich dieses Projekts bitte einfach Robert Hartung kontakieren.

Förderung

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