Damit Informationstechnik und Automation die Stadt der Zukunft sicherer, komfortabler und ressourcensparender machen können, ist eine Vielzahl automatisierter »Beobachtungen« nötig. Übernehmen wird dies eine Vielzahl drahtlos vernetzter Sensoren. Sie liefern die Grundlage, um das Potenzial von Smart Cities ausschöpfen zu können. Im Interview erklärt Herr Prof. Wieland vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen IIS Funktionsweise und Nutzen dieser Netze.

Herr Prof. Wieland, das Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen IIS hat wesentlich dazu beigetragen, drahtlose Sensornetze in vielen Bereichen des täglichen Lebens zu etablieren. Trotzdem steht die Entwicklung erst am Anfang. Die Möglichkeiten von Sensornetzen als „Sinne“ von zum Beispiel Gebäuden werden erst allmählich erkannt.

Es gibt durchaus schon eine Vielzahl von Anwendungsbereichen, vor allem im Bereich Sicherheit und der industriellen Fertigung, wo Sensornetze längst eingesetzt werden. Aber gerade in Hinblick auf etwa Gebäude der Zukunft oder Smart Cities wird in der Tat noch viel passieren. Erst dann werden drahtlose Sensornetze wirklich zu einer Art Sinnesorgan von Industrieanlagen, Gebäuden und Städten.

Wie funktionieren drahtlose Sensornetze?

Letztlich haben wir es hier mit einem System zu tun, bei dem über einen Bereich oder ein ganzes Areal wie bspw. ein Stadtviertel verteilte Sensoren Messungen vornehmen. Diese einzelnen Messstellen erfassen Informationen zu einfachen Daten wie Temperatur oder Licht oder komplexere Größen, etwa von Gaskonzentrationen oder Vibrationen. Dazu kommen „Klassiker“ wie Sensoren zum Öffnen und Schließen von Türen und Fenstern und einfache Bewegungsmelder. Diese Daten werden dann drahtlos kommuniziert.

Dieses Erfassen von Daten ist Grundlage für die Smart Cities, weil die Steuersysteme dann Informationen zum Status Quo erhalten und entsprechend reagieren können.

Ja, aber nicht nur in diesem Bereich! Denken Sie beispielsweise an eine Obstplantage, bei der ein Netz von Feuchtigkeitssensoren die Grundlage für Daten zur Bewässerung liefert.

Worin liegt der Unterscheid zu bisherigen Aufzeichnungssystemen?

Der wohl wichtigste Unterschied liegt darin, dass die „Knoten“, also die einzelnen Sensoren mit der dazugehörigen Funkübertragung, sich selbst organisieren und ein Netz bilden. Die erfassten Daten werden also „intelligent“ Schritt für Schritt über den jeweils geeignetsten Weg weitergegeben und dann an einem zentralen Übergabepunkt beispielsweise in die Cloud eingespeist.

Warum ist diese Form der Informationsweitergabe so vorteilhaft? Bislang haben beispielsweise Überwachungskameras ihre Daten in die Zentrale geleitet, wo sie ausgewertet wurden.

Genau hier liegt ja der Nachteil dieser sogenannten Sternvernetzung: Jedes Endgerät muss sich mit dem zentralen Mastergerät direkt verbinden. Am Fraunhofer IIS haben wir mit der s-net®-Technologie, einem Kommunikationsprotokoll für die Realisierung von Sensornetzen, eine extrem energiesparende Grundlage für Maschennetze entwickelt, bei dem sich einzelne Knoten so organisieren, dass sie Daten von einem Hopp zum nächsten Hopp übertragen können. Wir nutzen also eine deutlich komplexere und damit aber auch redundant ausgelegte Netzstruktur: Wenn ein Knoten ausfällt, können andere Pfade im Netz das übernehmen. Außerdem können wir weitere Knoten hinzufügen, die sich problemlos in das Netz integrieren.

Und Sie können Informationen über weitere Strecken übertragen, ohne jedes Mal eine neues Kabel ziehen zu müssen.

Wir arbeiten zum Beispiel an einem Projekt, bei dem wir ein Sensornetzwerk nutzen wollen, um den Füllstand von Hausmülltonnen zu überwachen. Hier hat jede Hausmülltonne einen solchen Knoten, neue Mülltonnen können problemlos einbezogen werden und alle Signale wandern von Mülltonne zu Mülltonne, bis sie am Ende der Straße an einen Masterknoten an der Ampel übergeben werden. Hier werden die Informationen dann für die Müllabfuhr per Mobilfunk in eine Datenbank einspeist.

Andere Beispiele drängen sich vermutlich im Bereich von Industrie 4.0 auf.

Natürlich, Industrie 4.0 ist hier ein Treiber. Ein aktuelles Beispiel ist das eben produzierte Werkstück, das nun in die Qualitätssicherung muss. Über ein Sensornetzwerk kann sich der Werkstückträger drahtlos mit einem Prüfstand verknüpfen und mitteilen, was geprüft werden soll – ohne dass eine zentrale Konfiguration nötig ist.

Zu einem komplett anderen Fall haben Sie gerade den Demonstrator fertiggestellt.

Hier geht es um das Mäusefangen auf größeren Industriegeländen. Aus Tierschutzgründen werden Mäuse oft per Lebendfalle gefangen, müssen dann aber bald wieder befreit werden, damit sie nicht verdursten. Wir haben also die Möglichkeit, dass ein Mitarbeiter jeden Tag alle Fallen abgeht – oder wir setzen ein Sensornetzwerk ein, das eine Belegung einer Falle meldet.

Gibt es Beispiele zur Stadt der Zukunft?

Letztlich sind alle diese Beispiele richtungweisend für Smart Cities. Allein für das Gebäudemanagement der Zukunft sind Sensornetze essenziell. Denken Sie an Verbrauchseinheiten wie Toilettenartikel, die Bewässerung von Büropflanzen oder die Entsorgungscontainer. Um den Stand der Dinge zu erfahren, müssen Gebäudemanager gut zu Fuß sein und viel Zeit einplanen – oder sich Sensornetze zunutze mache.

Wie steht es um den Bereich des Ambient Assistent Living? Die intelligente Versorgung kranker und älterer Menschen wird auch für die Stadt der Zukunft grundlegend sein.

Natürlich sind Sensornetze prädestiniert dafür. Das Problem ist derzeit allerdings, dass kaum jemand bereit ist, die dafür notwendige Entwicklung oder gar Installation zu bezahlen. Andere Bereiche werden deshalb eine Vorreiterrolle übernehmen. Dazu gehören große Teilsysteme einer Smart City wie beispielsweise Energie, Mobilität, Logistik und Entsorgung. Und wir müssen die Frage klären, wie wir mit all den Daten umgehen, die uns in Zukunft zur Verfügung stehen werden.

Das ist dann eine Frage für Politik und Gesellschaft.

Nicht alleine. Natürlich müssen auch wir uns als Forscher diesen Fragen ebenso stellen. Wir können nicht so tun, als ob wir nur die „guten Datenproduzenten“ sind und uns der Rest nichts angeht. Generell scheint es mir, dass wir derzeit von einer fast ausgereiften Technik sprechen, aber der nötige Kulturwandel in Gesellschaft und selbst bei der Industrie noch nicht eingeleitet ist. Wir müssen also neben der Forschung auch Überzeugungs- und Aufklärungsarbeit leisten. Nur so können auch weitere interessante Impulse entstehen, wie wir drahtlose Sensornetze zu einem sicheren und akzeptieren „Sinnesorgan“ der Zukunftsstadt machen.  (ak)

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Interviewpartner
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Prof. Dr. Thomas Wieland
  • Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
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