Messmethoden und Energiemanagement für Sensornetze zum Einsatz im Katastrophenschutz

Themengebiet

Sensornetze bestehen aus Einzelsystemen, die über Sensoren, einen Prozessor und Speicher sowie ein Funkinterface verfügen und mit Hilfe von Batterien mit Energie versorgt werden. Das Sensornetzwerk soll als Gesamtheit der Einzelsysteme komplexere Problemstellungen wie z.B. die Analyse von Bewegungen von Feuerfronten bei Waldbränden bewältigen können, obwohl die Einzelsysteme nur einfache Aufgaben wie beispielsweise Temperaturmessungen durchführen können. In den Projekten SwarmNet und SWARMS und werden Algorithmen, Protokolle und Middlewarekonzepte für Vernetzung, Betrieb und Programmierung von Sensornetzen untersucht. In diesem Kontext ist der Simulator Shawn entstanden, der nun kontinuierlich um neue Funktionen erweitert wird.

Die Arbeit im Detail

Die Überwachung von ad-hoc ausgebrachten Sandsackdeichen ist ein Anwendungsfall für das Sensornetze prädestiniert sind. Dabei stellt man sich vor, dass die Sandsäcke mit Sensorknoten bestückt werden. Werden die Sandsäcke dann an ihrem Einsatzort zu einem a priori unbekannten Deichgebilde formiert so beginnen die Sensorknoten mit dem Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur. Die Knoten können über ihre Sensoren und durch Kommunikation mit den Nachbarknoten ein Gesamtbild der Durchfeuchtung des Deiches erstellen und daraus den Verlauf des Wasserpegels ableiten. Diese Daten helfen dann den Einsatzkräften vor Ort den Deich baulich zu optimieren und damit vor einem Bruch zu bewahren.

Es gibt jedoch einige inhärente Probleme, die in diesem Szenario bedacht und gelöst werden müssen. Einserseits begrenzen die knappen Energiereserven die Lebenszeit des Netzes und verlangen daher nach einem effizienten Kommunikationsmuster. Andererseits sind die Sensoren möglicherweise fehleranfällig und liefern unter Umständen falsche Messdaten.

Eine interessante Frage die sich stellt ist auf welche Art und Weise der Kommunikationsbackbone unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz errichtet werden soll. Knoten, die potenziell bald unter der Wasseroberfläche verschwinden werden, können dann nicht mehr ihre Ressourcen in das Gesamtnetz einbringen. Es ist daher interessant, speziell diese Knoten zum Weiterleiten von Nachrichten zu verwenden. Abhängig davon, ob die Knoten auch nach Wasserkontakt noch funktionsfähig sind oder nicht, müssen dabei unterschiedliche Strategien zum Einsatz kommen. Sind die Knoten wasserfest, so muss ein Teil der Knoten geschont werden, damit ein sinkender Pegel noch zuverlässig erkannt und den Einsatzkräften gemeldet werden kann.

Ein weiterer Aspekt ist das Erkennen von Fehlfunktionen einzelner Knoten. Fehlmessungen anderer Knoten müssen erkannt werden und dürfen nicht in das Gesamtergebnis einfliessen. Dazu ist eine Abstimmung der Knoten untereinander notwendig.

In dieser Arbeit sollen die oben genannten Fragestellungen am Beispiel dieses speziellen Anwendungsfalles untersucht werden. Dabei wird die Arbeit in folgende Meilensteine gegliedert sein:

• Literaturrecherche
  Identifizierung verwandter Projekten und Publikationen. Die Ergebnisse dieses Prozesses werden unmittelbar bei den folgenden Schritten berücksichtigt und umgesetzt.
• Textuelle Beschreibung des Szenarios.
  Hier werden alle relevanten Parameter identifiziert und beschrieben. Ebenso werden die von den Simulationen zu beantwortenden Fragen definiert.
• Modellierung und Visualisierung
  Das beschriebene Szenario muss nun im Detail in Shawn als ein 3D-Modell implementiert werden. In dieser Modellierung muss das Ufer eines Flusses nachgebildet werden und die Deichtopologie durch eine Platzierung von Sandsäcken gewählt werden. Mehrere über die Zeit variable Hochwasserverläufe werden zur Verifikation der Ergebnisse auch in diesem Schritt vorbereitet. Die erstellten Szenarien sollen in ein Format konvertiert werden, das eine frei wählbare dreidimensionale Betrachtung des simulierten Szenarios ermöglicht. Dies kann zum Beispiel in Irrlicht oder anderen 3D-Engines geschehen.
• Messmethoden
  Untersuchung und Implementierung der Messmethoden. In diesem Meilenstein wird bestimmt, wie das verteilte Messen der Wasserlinie geschieht. Lokale Fehler müssen hier erkannt werden und entsprechend von der Erkennung der Wasserlinie ausgenommen werden. Weiterhin müssen auch Energieeffizienzfragen berücksichtigt werden. So ist beispielsweise denkbar, nicht benötigte Knoten in einen stromsparenden Schlafzustand zu versetzen. Dies können Knoten sein, die in absehbarer Zeit nicht in der Nähe der Wasserlinie sind.
• Energiemanagement
  Aufbau und Aufrechterhalten eines Kommunikationsbackbones der möglichst die Knoten zur Weiterleitung verwendet, die bald nicht mehr erreichbar sind. Dabei müssen Knoten geschont werden, die das Sinken des Pegels wieder erkennen und weiterleiten können.
• Dokumentation
  Dokumentation der Implementierung und Schreiben der Diplomarbeit.

Vorraussetzungen für die Arbeit

Folgende Kenntnisse sind zum erfolgreichen Abschluss der Arbeit erforderlich. Es ist wünschenswert, wenn zumindest grundlegende Kenntnisse vorhanden sind. Zumindest jedoch sollte die Fähigkeit und der Wunsch vorhanden sein, dieses Wissen autodidaktisch zu erlangen.

• Objektorientiertes Design
• C++ Kenntnisse (inkl. STL und Templates)
• Erfahrung mit Linux und Windows
• Umgang mit Versionskontrolle (CVS, ...)

Das Kleingedruckte

Die Arbeit wird zum Teil vom Institut für Mathematische Optimierung der TU Brauschweig mitbetreut. Nach Einarbeitung und Umsetzung ist die geleistete Arbeit in der eigentlichen Arbeit sorgfältig zu dokumentieren. Der implementierte Code ist selbstverständlich vollstädig zu kommentieren unter Verwendung von Doxygen und er wird unter der GPL veröffentlicht. Es sind die Regeln zur Erstellung von wissenschaftlichen Arbeiten des Instituts zu beachten.