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Schlussbericht IntelliKOMP
(2020)
Im Rahmen des Verbundprojektes IntelliKOMP sollten smarte Werkzeughalter und Spannfutter für Werkzeugmaschinen im Hinblick auf Industrie 4.0 entwickelt werden. Durch eine hochintegrierte Elektronik in den peripheren Maschinenkomponenten soll mittels Sensoren eine Datenerfassung, -verarbeitung und drahtlose -übertragung erfolgen. Durch diese Daten soll bspw. eine prädiktive Wartung ermöglicht werden.
Smart Home-/Smart-Building-Anwendungen sind ein stetig wachsender Markt. Smart Gardening ist ein Beispiel dafür, Nutzern mehr Komfort und eine bessere Lebensqualität zu Hause oder in Bürogebäuden zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Beitrags wird die Entwicklung eines Indoor-Smart-Gardening-Systems mit dem Fokus auf energieautarkes Arbeiten vorgestellt. Herzstück des Systems ist ein 3D-gedruckter Blumentopf für einzelne Pflanzen mit integrierter Elektronik zum Monitoring der wichtigsten Pflanzenparameter und einem integrierten Wasserreservoir mit Tauchpumpe für das automatisierte Bewässern der Pflanze. Energy Harvesting per Solarzellen ermöglicht ein energieautarkes Arbeiten des Blumentopfes. Eine selbstentwickelte Low-Power-Funkschnittstelle im Blumentopf und ein externes Gateway ermöglichen die drahtlose Vernetzung mehrerer Pflanzen. Das Gateway dient zur Auswertung der Pflanzenparameter, der Ansteuerung der im Netzwerk vorhandenen Blumentöpfe und als Benutzerinterface.
Vergleich aktueller LPWAN-Technologien im Internet der Dinge unter Einbindung von Energy-Harvesting
(2017)
Die vorliegende Bachelorthesis gibt einen Überblick über die Möglichkeiten zur drahtlosen Machine-to-Machine Kommunikation im Internet der Dinge. Sie bietet eine Einführung in die Low-Power-Wide-Area-Network-Technologie (LPWAN) und einen Vergleich deren Anbieter.
Zu Beginn der Arbeit wird die Funktionsweise der drahtlosen Datenübertragung erklärt und die wichtigsten Fachbegriffe werden erläutert. Anschließend werden die Technologien Short-Range Wireless Network, Mobilfunk und Low-Power-Wide-Area-Network voneinander differenziert und einige Standards jeder Kommunikationstechnik vorgestellt.
Anschließend wird konkreter auf die Funktionsweise der aussichtsreichsten LPWAN-Technologien eingegangen. Nach der Erläuterung der Funktionsweisen werden die
Übertragungstechniken der Anbieter LoRa Alliance, SigFox, Ingenu und EnOcean anhand festgelegter Parameter untersucht und anhand eines Bewertungsschemas verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Anbieter im Vergleich über verschiedene Ansätze zum Einsatz der
LPWAN-Technologie verfügen und diese zudem von allen unterschiedlich umgesetzt wird. Aus dem Vergleich wurde jedoch deutlich, wo die Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien liegen. Ein kurzer Exkurs in das Thema des Energy-Harvesting – Der Technologie zur Stromerzeugung aus Umweltressourcen – zeigt die möglichen Umsetzungsarten der neuartigen Energiegewinnung und deren Einsatzgebiete für technische Geräte im Internet der Dinge. Die Dokumentation eines Beispielprojekts beschreibt die Umsetzung einer
solarbetriebenen LoRaWAN-Sendeeinheit, welche in der Lage ist die GPS-Daten ihrer Position über eine freie Funkfrequenz an ein LoRaWAN-Gateway in der Umgebung zu senden. Das Gateway interpretiert die Daten und stellt diese mithilfe eines Webdienstes auf einer interaktiven Karte dar.
Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.