Entwicklung eines universellen drahtlosen Sensorknotens

Einleitung

In drahtlosen Sensornetzen werden verschiedenste Daten mithilfe von Sensorknoten aufgenommen, verarbeitet, gespeichert und versendet. Die Sensorknoten bestehen dabei in der Regel aus einem Mikrocontroller, einem Funktransceiver mit Antenne, diversen Messaufnehmern, Datenspeicher und Energieversorgung. Bei der Konstruktion solcher Sensorknoten sind dabei teils diametrale Herausforderungen zu bewältigen: Energieverbrauch, Größe, Leistung und Funktionsumfang beeinflussen sich gegenseitig und es gilt, geeignete Abwägungen zu treffen.

Am Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund wurden bereits Erfahrungen mit verschiedenen Sensorknoten gesammelt, so z.B. mit dem „Texas Instruments MSP-430“-basierten TelosB oder dem „Atmel AVR-1284P“-basierten AVR Raven, welchen beiden gemein ist, dass sie vom Betriebssystem Contiki unterstützt werden. Beide Typen weisen spezifische Vorteile, aber auch unterschiedliche Einschränkungen auf; so verfügt der veraltetet MSP-430-Microcontroller nur über relativ wenig adressierbaren Speicher, während der AVR-Raven-Sensorknoten mit allerlei Ballast, wie z.B. einem zweiten Mikrocontroller, Display und Lautsprecher ausgestattet ist, welcher sich negativ auf Größe und Energieverbrauch auswirkt. Als gemeinsamer Nachteil kann auch die relativ spartanische Ausstattung mit Sensorik gesehen werden, welche sich beim TelosB auf Luftfeuchte, Lichtintensität und Temperatur beschränkt, während der AVR Raven lediglich mit einem Temperatursensor und einem Mikrophon ausgestattet ist.

Aufgabenstellung

Im Rahmen dieser Projektarbeit soll ein neuer Sensorknoten entwickelt werden, der die Vorteile der beiden oben erwähnten Sensorknoten vereint und die Nachteile dabei möglichst beseitigt; als Anregung hierfür sollen auch andere Sensorknoten betrachtet werden. Die zu verbauende Sensorik soll sich dabei an den Anforderungen aus dem Projekt „Gestaltung altersgerechter Lebenswelten“ orientieren und ist dementsprechend auszuwählen. Außerdem ist eine möglichst einfach zu realisierende Unterstützung für das Betriebssystem Contiki vorzusehen, welche sich am geschicktesten durch die Adaption einer vorhandenen und unterstützen Architektur erreichen lässt.

Neben den grundlegenden Anforderungen, wie geringer Energieverbrauch, geringe Größe sowie den kombinierten positiven Eigenschaften der bereits erwähnten Sensorknoten, sollen zusätzlich die folgenden Punkte realisiert werden:

A separate integrity check should provide a mechanism for detecting the correct transfer and storage of the backup-files. It should be implemented for both directions: For backup-files transferred form an individual MSHP to a central storage and the other way around.

• Der Sensorknoten soll ein Programmieren über USB mittels eines Bootloaders ermöglichen, welcher in späteren Arbeiten auch für eine Programmierung „over-the-air“ erweitert werden kann.
• Der Sensorknoten soll sowohl mit unterschiedlichen Batterien als auch über einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit Energie versorgt werden können, wobei letzterer auch über die USB-Schnittstelle geladen werden soll.
• Neben einem onboard-Flash-Speicher soll eine auswechselbare Micro-SD-Karte als austauschbarer Datenspeicher vorgesehen werden, wobei hierbei ein besonderes Augenmerk auf die (in Nichtgebrauch) stromsparende Ausführung der Anbindung zu richten ist.

Die Sensorausstattung sollte mindestens das folgende umfassen:

• 3-Achsen Beschleunigungssensor
• 3-Achsen Gyroskop
• Luftdrucksensor
• Temperatursensor

Wenn im Ziel-Design noch freie Fläche vorhanden sein sollte, kann ein 3-Achs-Magnetometer ein sinnvoller zusätzlicher Sensor sein. Außerdem sollen freie Ports und Busse zur einfachen Erweiterung nach außen geführt werden und mindestens eine programmierbare LED und mindestens ein Taster vorgesehen werden. Des Weiteren kann sich ein Schalter zum Trennen der Stromversorgung als zweckmäßig erweisen.

In einer abschließenden Evaluation sollen die Funktionsfähigkeit und die Leistungsfähigkeit im direkten Vergleich zur gewählten Ausgangsplattform gezeigt werden.