InSensePro: Datenübertragung in einem Sensornetzwerk
Die Entwicklung von Erntemaschinen wird heute maßgeblich durch den Einsatz neuer Sensorik vorangetrieben. Zahlreiche Parameter, die aktuell Forschungsthema sind, lassen sich nicht mehr direkt über einen konkreten Sensor bestimmen, sondern können nur noch mittels KI aus dem Zustand eines komplexen Sensornetzwerks abgeleitet werden. Diese neu erschlossenen Bereiche der Sensorik bieten ein völlig neues Potenzial, den Zustand der Maschine in all seinen Details positionsgetreu aufzulösen. Allerdings wächst somit nicht nur die Anzahl der sensorisch überwachten Parameter selbst, sondern aufgrund der steigenden Komplexität auch die Anzahl der Sensoren pro überwachtem Parameter.
Sensornetzwerk in InSensEPro
Auch das Messverfahren im Projekt InSensEPro setzt auf ein im Bauraum der Maschine verteiltes Sensornetzwerk (mehr dazu im Blogbeitrag). Im konkreten Fall werden die Einzelmessungen von etwa 100 Sensoren zusammengetragen, um auf dieser Datenbasis mittels Machine Learning die gesuchten Zielparameter zu bestimmen. Diese hohe Anzahl an Sensorknoten bringt bei direktem Anschluss an eine zentrale Auswertungseinheit einen erheblichen Verdrahtungsaufwand mit sich.
Anschlussmöglichkeiten eines Sensornetzwerks
Anstatt jeden Sensor einzeln mit der Zentrale zu verbinden, kann die Digitalisierung der Messung bereits in den Sensor verlagert werden, sodass nur noch sein Messergebnis übertragen werden muss. Dieser Schritt erlaubt es ein geteiltes Medium, wie einen Kommunikations-BUS oder eine Funktechnologie zur Übertragung einzusetzen und so die Anzahl der notwendigen Kabel drastisch zu reduzieren. Bei einer hohen Anzahl von Sensoren steigt auch die Wahrscheinlichkeit für den Ausfall einzelner Knoten. Ein robustes Netzwerk kann mit diesem Informationsverlust bis zu einem gewissen Grad umgehen. Ein Ausfall eines gesamten Strangs von Sensoren an einem geteilten BUS sollte jedoch systematisch ausgeschlossen werden. Funktechnologien reagieren toleranter auf den Ausfall einzelner Knoten und haben zudem den Vorteil einer gesteigerten Flexibilität und Modularität. Zusätzliche Knoten können einfach im bestehenden Netzwerk angemeldet werden um zusätzliche Daten zu erfassen oder defekte Sensoren zu ersetzen. Sie bieten zugleich die größtmögliche Freiheit in der Montageposition.
Funkstandards
Insbesondere durch den Wearable-Trend und die fortschreitende Heimautomatisierung sind heute zahlreiche Funkstandards verfügbar, die grundsätzlich für die Sensoranbindung geeignet wären. Einige Standards wie Z-Wave setzen dabei länderspezifische Frequenzen ein, was nationale Produktanpassungen mit sich bringt. Klassisches WLAN hat für den Anwendungsfall unnötig hohe Datenraten, was zu einem erhöhten Energiebedarf führt.
Bluetooth Low Energy bietet neben einem niedrigen Energiebedarf, geeignete Datenraten, eine Fehlerkorrektur auf Protokollebene und einen riesigen Absatzmarkt, der diese Technologie auch finanziell für Sensorknoten hochattraktiv macht. Der Standard hat eine hohe Verbreitung, sodass einzelne Knoten zu Diagnosezwecke an fast jedes denkbare Steuergerät wie beispielsweise Smartphones oder Laptops gekoppelt werden könnten. Seit kurzem sind auch Empfänger verfügbar, die laut Herstellerangaben auch große Netze mit aktuell bis zu 128 Knoten unterstützen.
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Praxistests Bluetooth Low Energy
Um die Umwelteinflüsse durch den Ernteprozess auf die Funkübertragung mittels Bluetooth LE zu untersuchen, wurden im Erntebetrieb an 10 Positionen Sensorknoten montiert und die Stärke der Funksignale (RSSI), sowie die Paket Error Rate (PER) unter verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert. Der ausschlaggebendste Einflussfaktor auf die Funkstrecke ist das Erntegut im Bauraum der Maschine.
Versuch 1 zeigt den Anteil der erfolgreich übertragenen Datenpakete für den Stillstand des Mähdreschers, Versuche 2-4 weisen eine leicht erhöhte Fehlerrate im Leerlauf auf, Versuche 5-8 zeigen Messungen während des Erntevorgangs.
Ausblick
Schon die ersten Tests, das Sensornetzwerk per Bluetooth LE anzubinden, zeigen vielversprechende Resultate und ein hohes Potenzial der Technologie. In den nächsten Schritten gilt es, die Montageposition insbesondere des zentralen Empfängers zu optimieren und den Einfluss des Ernteguts systematischer zu untersuchen. Perspektivisches Ziel ist es, auf sämtliche Kabel zu verzichten und auch den Energiebedarf drahtlos durch Energy Harvesting zu decken.
