Internet of Things

Fraunhofer entwickelt Hardware für energieeffiziente Sensoren

| Autor / Redakteur: Lisa Marie Waschbusch / Nico Litzel

Leistungsverstärker in Funkknoten für eine zielgenaue Datenübertragung für 5G.
Leistungsverstärker in Funkknoten für eine zielgenaue Datenübertragung für 5G. (Bild: Fraunhofer IAF)

Das Internet der Dinge wächst stetig und schon jetzt ist eine Vielzahl vernetzter Sensoren im Einsatz – und die Zahl wird vermutlich in den kommenden Jahren weiter steigen. Bislang ist allerdings das Problem: Der Energieverbrauch der Sensoren ist enorm. Hier setzt Fraunhofer mit einer Hardware-Lösung an.

Laut einer Studie der International Energy Agency entsprach der Energiebedarf aller vernetzter Geräte 2013 weltweit dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre soll sich dieser Bedarf sogar auf 1.140 Terawatt pro Jahr nahezu verdoppeln, wobei das vernetzte IoT einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben soll. Sensoren müssen daher künftig energieeffizienter werden, so die Fraunhofer-Gesellschaft.

In ihrem Projekt „Towards Zero Power Electronics“ (ZEPOWEL) will Fraunhofer eine Hardware-Lösung entwickeln, die einerseits ganzheitlich und andererseits extrem energieeffizient ist. In einem nächsten Schritt könnten vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten. Fraunhofer setzt hier an zwei Hebeln an: Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Systemniveau realisiert. Das heißt, auch die Kommunikation mit anderen Systemen wird energiesparender.

Folgende Aufgaben wollen die Fraunhofer-Institute lösen:

1. Hocheffiziente Bauelemente für eine robuste und sichere Kommunikation

Ein Ultra-Low-Power WakeUp-Receiver soll dafür sorgen, dass ein Sensorknoten nicht permanent Daten senden muss, sondern erst bei einem bestimmten Schwellwert oder durch eine authentifizierte Anfrage von außen „geweckt“ wird.

Das im Projekt entwickelte Modul soll 1000-mal effizienter sein als existierende Standardfunklösungen. Der entwickelte Receiver reagiert nur auf autorisierte und kryptografisch gesicherte Signale, die tatsächlich für ihn relevant sind. Auf diese Weise kann der Sensorknoten bei minimalem Energieverbrauch im Standby-Modus verbleiben und im Bedarfsfall durch den WakeUp-Receiver sofort aktiviert werden.

2. Genauere Messung bei geringerem Energieaufwand

Zusätzlich soll ein Luftgütesensor mit einer Mikropumpe gekoppelt werden. Die Pumpe dient dann als Messverstärker, indem sie die zugeführte Luftmenge stark vergrößert. Wenn diese Herausforderung gelingt, entsteht ein Sensor, der deutlich weniger sensitiv gebaut sein müsste, aber gleichzeitig viel genauere Daten liefert: Während heutige Sensoren bei einer Leistung von 1.250 Mikrowatt pro Sekunde 5.000 Messergebnisse liefern können, soll der entwickelte Sensor bei einer Leistung von weniger als zehn Mikrowatt doppelt so viele Messergebnisse pro Sekunde liefern.

Der Beispielsensor soll den Feinstaub in der Stadt messen. Während Feinstaubmessungen bisher extrem aufwändig waren und deshalb nur an wenigen Knotenpunkten gleichzeitig erhoben werden konnten, soll mit der neuen Technologie eine dichtere und genauere Messung ermöglicht werden. Durch die intelligente Vernetzung der Knoten und Anbindung an gängige Cloud-Plattformen kann ein detailliertes Modell vom Feinstaubausstoß in der Stadt erstellt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreich: Zum Beispiel könnte die Verkehrsfluss-Steuerung sich daran orientieren, oder Navigationssysteme könnten ihre Routen selbstständig daran anpassen.

3. Sensoren versorgen sich noch leichter selbst mit Strom

Ein Breitband-Harvester soll entwickelt werden, eine Art Erntemaschine für die Umgebungsenergie. Seine Effizienz vervierfacht sich im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik: Um 100 Mikrowatt Leistung aus seiner Umgebung zu ernten, braucht er nur noch ein Viertel der Fläche, nämlich fünf mal fünf Quadratmillimeter. Die so geerntete Energie wird in einer neu entwickelten Dünnschichtbatterie gespeichert, die direkt auf dem Hardware-Chip integriert ist. Dieser voll integrierte Ansatz von Batterie, Harvester und Energiewandler ist weltweit einzigartig.

4. Modularer Baukasten für jede Anwendung

ZEPOWEL hat sich darüber hinaus zum Ziel gesetzt, keine rein anwendungsspezifischen Knoten, sondern einen modularen Ansatz nach dem Prinzip Plug-and-play zu entwickeln. Die entwickelte Plattform setzt sich aus Einzelanwendungen der Institute zusammen, die beliebig kombinierbar sind. Während bisher für jede IoT-Anwendung eine spezifische Hardware-Lösung erstellt wurde, wird in diesem Projekt eine universelle IoT-Hardware entwickelt. Je nach Anwendungszweck kann der Kunde sich dann „seine Rosinen rauspicken“.

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