Das Beste aus der Energiegewinnung herausholen
Das Internet der Dinge (vernetzte Geräte wie intelligente Sensoren) lebt von Daten. Das Erfassen, Kommunizieren und Sammeln grosser Datenmengen ist der Kern dessen, was das IoT nützlich macht: Netzwerke messen Daten (sei es die Aufzeichnung menschlicher Aktivitäten, die Erfassung von Umweltbedingungen oder etwas anderes), speisen diese Messungen in das zentrale System ein oder nutzen die Daten lokal und ergreifen vielleicht Massnahmen als Reaktion auf die ihnen vorliegenden Informationen. Der Energiebedarf dieser Netze ist jedoch während ihrer gesamten Lebensdauer beträchtlich. Das bedeutet, dass die Energieversorgung dieser Systeme einen wesentlichen Engpass für die Skalierbarkeit, die Langlebigkeit der Netze und deren Nachhaltigkeit darstellt.
Herkömmliche batteriegestützte Systeme verfügen über eine kontinuierliche und stabile Energieversorgung... bis die Batterien leer sind. Da die Zahl der angeschlossenen IoT-Geräte wächst, bedeutet der regelmässige Batteriewechsel eine wachsende finanzielle und ökologische Kostenbelastung, die möglicherweise inakzeptabel ist. Das Anschliessen vieler kleiner Geräte an die Gebäudeverkabelung bringt ähnliche Probleme mit sich, da die Anzahl der benötigten Steckdosen steigt und die Kabel selbst teuer, sperrig und ästhetisch unschön sind. Mit anderen Worten: Die Installation ist mühsam.
Eine Alternative ist, dass die IoT-Knoten Energie aus ihrer Umgebung gewinnen (z. B. mit einem kleinen Solarpanel), um sich selbst zu versorgen. Doch was wie eine perfekte Lösung aussieht, ist alles andere als einfach.
Für eine gute Ernte braucht es genügend Licht
In einer typischen Büroumgebung dringt natürliches Licht aus den Fenstern nicht weit in den Raum ein, und in einigen Bereichen (z. B. in Lagerräumen) gibt es überhaupt kein natürliches Licht. In der Zwischenzeit erscheint und verschwindet das künstliche Licht mit einem Knopfdruck. Das bedeutet, dass zwei IoT-Knoten, auch wenn sie nur wenige Meter voneinander entfernt sind, sehr unterschiedliche Energien zur Verfügung haben und mehr oder weniger und zu unterschiedlichen Zeiten ernten können. Sie können etwas Energie speichern, um über Nacht oder vielleicht über ein Wochenende zu laufen, aber sie passen ihr Verhalten dennoch an ihre eigene sich ändernde Umgebung an, was sich auf das gesamte Netzwerk auswirken kann.
Stellen Sie sich ein Bürogebäude vor, das mit einer automatischen Temperatur- und Luftqualitätskontrolle nachgerüstet wurde. Das Kontrollsystem besteht aus einem Netz solarbetriebener Energiegewinnungsknoten, die im gesamten Gebäude installiert sind, sowie einer zentralen Steuerung, die immer mit Strom versorgt wird. Die Knotenpunkte messen die lokale Temperatur und Luftqualität und übermitteln die Messwerte an die zentrale Steuerung, die die Heizung und Belüftung entsprechend den gesammelten Daten einstellt, um ein angenehmes und gesundes Klima zu gewährleisten.
Da die Sensoren mit Licht betrieben werden, können sie nur in begrenztem Umfang messen und Informationen liefern. Es gibt jedoch Zeiten, in denen häufige Aktualisierungen wichtiger sind (z. B. während grosser Sitzungen, wenn sich die Luftqualität verschlechtert), und Zeiten, in denen dies weniger wichtig ist, z. B. nachts, wenn das Gebäude leer ist.
Nicht nur das Sammeln von Daten ist eine Herausforderung, sondern auch die effiziente Kommunikation. Die Kommunikation zwischen Knoten und dem Zentralsystem über grosse Entfernungen, z. B. zwischen verschiedenen Räumen eines Gebäudes, erfordert viel Energie - stellt aber sicher, dass die Knoten immer mit dem Zentralsystem kommunizieren können. Bei der Multi-Hop-Kommunikation verlassen sich die Knoten auf andere Knoten, um ihre Daten weiterzugeben. Jeder Knoten sendet seine Nachricht an Knoten in der Nähe, die sie wiederum weiterleiten, und so weiter, bis die Nachricht den richtigen Empfänger erreicht. Was aber, wenn die Knoten, die diese Datenpakete weiterleiten, keine Energie mehr haben?
Aufgrund unvorhersehbarer Bedingungen ist es schwer vorherzusagen und zu planen, welche Knoten zu welchem Zeitpunkt über Energie verfügen (und damit für die Weiterleitung von Daten zur Verfügung stehen). Dies macht es für einen Knoten schwierig, sein Verhalten anzupassen, da er von anderen abhängig ist.
Die NCCR Automation-Forscherin Naomi Stricker erforscht diese Bereiche. Sie und ihre Mitarbeitenden erarbeiten Strategien, entwerfen gemeinsam Hard- und Software und entwickeln Kommunikationssysteme, um die Herausforderungen zu meistern und Energy-Harvesting-Systeme in neuen Anwendungen einzusetzen.
Was man weiss, und wann man es braucht
Der wichtigste Punkt bei der Entwicklung sparsamer Kontrollsysteme mit Energy-Harvesting-Knoten ist die Notwendigkeit, die folgenden beiden Faktoren auszubalancieren: erstens, wann und wie oft Informationen verfügbar sind (was natürlich von der Energieverfügbarkeit abhängt), und zweitens, wann diese Informationen benötigt werden.
Das bedeutet, dass die Messzeitpunkte optimiert werden müssen, je nachdem, wie viel Energie den Sensorknoten für zukünftige Messungen zur Verfügung steht und wie wichtig diese Informationen sind. Mit anderen Worten: Der innovative Algorithmus bewertet die langfristige Energieverfügbarkeit der Energy-Harvesting-Knoten und plant den Zeitpunkt für die nächste Messung, indem er diese Energieverfügbarkeit gegen den Nutzen abwägt, den das Kontrollsystem aus dem Erhalt der Informationen zu diesem Zeitpunkt zieht. Unsere neue Arbeit in diesem Bereich ermöglicht eine effiziente Integration von Energy-Harvesting-Sensorknoten in Regelkreise, indem sowohl ihre Energiebeschränkungen als auch die Regelungsqualität berücksichtigt werden.
Ein weiterer Aspekt ist die Kommunikation. Unser dynamischer Routing-Ansatz nutzt die unterschiedlichen und variablen Ressourcen, die den Knoten in einem Netzwerk zur Verfügung stehen, und findet je nach Verfügbarkeit der Knoten den energieeffizientesten Pfad. Zwischenknoten werden nur dann Daten gesendet, wenn sie bereits als aktiv erkannt wurden; ist dies nicht der Fall, kommt die Kommunikation über grosse Entfernungen ins Spiel. In diesem Fall verbrauchen die kommunizierenden Knoten mehr Energie, bis mehr Zwischenknoten online sind.
Durch die Anpassung an sich ändernde Bedingungen kann das System sowohl die Verschwendung von Energie für Datenübertragungen über weite Entfernungen als auch Kommunikationsausfälle und Verzögerungen vermeiden, wenn einige Knoten ausser Betrieb sind. (Wenn wir als Menschen doch nur sicher sein könnten, dass unser Publikum zuhört, bevor wir sprechen).
Die ganzheitliche Betrachtung der Herausforderungen im Bereich Energy Harvesting bedeutet, dass wir verschiedene Themen von vielen Seiten angehen können. Unsere Forschung hat zu einem besseren Verständnis der Zuverlässigkeit und Robustheit von Energy-Harvesting-Knoten, zu Verbesserungen der Energy-Harvesting-Vorhersagen, zu neuartigen Konzepten für eine effiziente Kommunikation in Energy-Harvesting-Netzwerken und zu einem Rahmen für den Einsatz von Energy-Harvesting-Sensorknoten in Kontrollsystemen geführt.
All dies zusammengenommen kann den Weg für neue skalierbare vernetzte Anwendungen ebnen sowie bestehende Anwendungen kostengünstiger machen und ihre Umweltauswirkungen verringern. Dies weist den Weg, um das volle Potenzial des Energy Harvesting im Bereich IoT für nachhaltige Städte und die industrielle Entwicklung zu erschliessen.
