Forschungsbereich D: Verteilte Mikrosysteme

Die Kommunikation im Verbund von Mikrosystemen ist eine weitere wesentliche Fähigkeit für zahlreiche Anwendungen. Die hier durchgeführten Analysen und entwickelten Methoden sind hinsichtlich Energieeffizienz und robuster Kommunikation auf die Belange von Mikrosystemen fokussiert.

Projekte im Forschungsbereich D "Verteilte Mikrosysteme":

D.1

Kommunikation in eingebetteten Mikrosystemen

D.2

Energieeffiziente Automatisierung in verteilten Mikrosystemen

D.3

Modulare, dezentrale, verteilte Mikrosysteme für messtechnische Anwendungen

D.4

Über Funk kommunizierende Mikrosysteme

D.1   Kommunikation in eingebetteten Mikrosystemen

In diesem Teilprojekt untersuchen wir aktuelle Kommunikationsprobleme, die in verteilten Mikrosystemen und Netzwerken entstehen. Unsere Untersuchungen sind theoretischer und algorithmischer Natur. Ziel ist die Gewinnung von grundlegenden Erkenntnissen, wie Datenaustausch in modernen Mikrosystemen effizient abgewickelt wird. Ein zentraler Aspekt des Projekts ist, dass die zu entwickelnden Algorithmen tatsächlich in Mikrosystemen eingesetzt werden können. Genauer müssen die Algorithmen so einfach beschaffen sein, dass sie hinsichtlich der benötigten Ressourcen (Platz- und Energiebedarf) in einem Mikrosystem ausgeführt werden können. Wir werden zunächst Broadcast-Probleme, die Komplexität von Informationsfluss sowie eigennütziges Routing studieren.

Statusreport :
Energie-effizientes Senden von Christian Gunia

D.2   Energieeffiziente Automatisierung in verteilten Mikrosystemen

Klassische Architekturen zur Automatisierung in der Fertigung besitzen fest verdrahtete Verbindungen zwischen Sensoren und Aktoren sowie zwischen den Komponenten einer hierarchischen Steuerung. Diese Struktur ist wenig flexibel, beispielsweise bei geänderten Anforderungen in der Fertigung, aber es lassen sich zuverlässige und echtzeitfähige Steuerungen und Regelungen realisieren.

Aufgrund ihrer enormen Flexibilität bei sehr geringen Kosten werden sich zukünftig autarke Mikrosysteme zu einem sehr attraktiven Werkzeug der Automatisierung entwickeln. Es entsteht eine neue, verteilte Architektur aus mehreren Knoten, die z.B. drahtlos miteinander kommunizieren und sich die Aufgaben teilen (siehe Bild). Doch bringt diese Struktur zunächst zusätzliche Probleme ein, die im Rahmen dieses Projektes gelöst werden sollen:

• Innerhalb einer Regelschleife muss das Signal meist mehrere Knoten passieren. Dabei kann es zu Ausfällen, Verzögerungen oder Beschränkungen in der Signalbandbreite kommen. Es sollen Methoden entwickelt werden, diesem zu begegnen und in diesem "Networked Control System" eine stabile und robuste Regelung zu ermöglichen.
• Für diese Architektur fehlen Entwurfswerkzeuge, mit deren Hilfe eine Implementierung von Steuerungen und Regelungen möglich ist, die in ihrer Zuverlässigkeit den klassischen Architekturen entspricht. Ein möglicher Ansatz ist die Weiterentwicklung der automatischen Code-Generierung aus graphischen Programmierumgebungen (z.B. Simulink) für verteilte Systeme.
• Prinzipiell können neue Sensor- oder Aktor-Knoten leicht in ein bestehendes Netz integriert werden. Dazu soll eine automatisierte Streckenidentifikation oder Selbstkalibrierung entwickelt werden.
• Wird das autarke Mikrosystem z.B. in bewegten Maschinenteilen eingesetzt, muss es im Unterschied zu fest verdrahteten Komponenten auch hinsichtlich seiner Energieversorgung autark sein. Das effiziente Management der "kostbaren" im Mikrosystem gespeicherten Energie ist eine Kernaufgabe. Da auch jede Rechenleistung mit Energieverbrauch verbunden ist, muss dies auch bei der Entwicklung von Algorithmen berücksichtigt werden. Ähnliches gilt für die Kommunikation, so dass redundante Übertragungen vermieden werden müssen.

Gemeinsam mit den anderen Projekten des Graduiertenkollegs werden Demonstratoren realisiert, an denen die Ergebnisse unter Praxisbedingungen verifiziert werden.

Statusreport :
Energieeffiziente Automatisierung in verteilten Systemen von Peter Hilgers

D.3   Modulare, dezentrale, verteilte Mikrosysteme für messtechnische Anwendungen

Für dezentrale Messtechnik ist ein komplettes Mikrolabor mit Sensoren, Aktoren und Elektronik plus Datenweitergabe unbedingte Voraussetzung für kontinuierliche Überwachung von physikalischen und biologisch-chemischen Parametern in der Medizin oder Prozesstechnik. Hierbei müssen Mikrotemperatur- und Biosensoren mit Mikrofluidik und Telemetrie-Einheiten integriert werden (siehe Abb.1a). Die thermischen Sensoren auf Basis amorphen Germaniums sollen mit dynamisch betriebenen Mikroheizelementen die Messung von Wärmeleitfähigkeit,-kapazität aber auch Konvektionsströmung ermöglichen. In Verbindung mit schon entwickelten Chemo- und Biosensoren (Abb.1b) ist damit ein komplettes dezentrales Messlabor zu realisieren und zu charakterisieren. Damit können unterschiedliche Sensormodule an Maschinenbauteilen, im Haushalt, am Körper oder in der Kleidung angebracht werden, die den Zustand des Systems resp. Patienten zu jeder Zeit überwachen können. Dazu müssen Mikrosysteme unterschiedlicher Bauart in hybrider modularer Wiese (HYMOS) zusammengefügt werden. Ziel ist es unterschiedliche Funktionsgruppen in der jeweils geeigneten Technologie zu fertigen und dann in hybrider Technologie zu einem eingebetteten System, welches autarke Intelligenz besitzen muss, zu implementieren. Diese autarken Systemmodule sollen mittels Sensorbusen vernetzt werden und eine drahtlose Kommunikation mit der Umgebung zulassen. Damit kann z.B. Temperatur, Beschleunigung, Lage, aber auch bio/chemische Parameter an unterschiedlichen Stellen gemessen werden, gleichzeitig eine Messauswertung vorgenommen werden und der komplette Systemzustand telemetrisch an eine externe Stelle weitergeleitet werden. An Sensoren werden Temperatur- und Biosensoren in Mikrotechnologie herstellt, herkömmliche miniaturisierte Pumpen implementiert und mittels ASIC und Telemetriechips zu einer Hardwareeinheit zusammengefasst. Diese dezentralen Messtechnikmodule sind wiederum verteilt angeordnet um lokal an unterschiedlichen Stellen Multiparameter-Monitoring durchzuführen. Damit fällt eine komplexe Messmatrix an, die an die Echtzeit-Sensorfusion hohe Anforderungen stellt. An die Systemsoftware muss ein Sensormanagementprogramm erstellt werden um Datenreduktion, geeignete Feldbustechnik und telemetrische Auswertung im Sensormodul und in den Modulnetzen zu implementieren. Ein geeignetes Datenstrommanagement ist zu entwickeln, welches adaptiv an die anfallende Messaufgabe und den anfallenden Datenstrom einen optimalen Auswertealgorithmus auswählt.

Kontakt:
Prof. Dr. Gerald Urban
Lehrstuhl für Sensoren
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7260 | Fax: 0761-203-7262 | E-Mail

D.4   Über Funk kommunizierende Mikrosysteme

Zunehmend werden drahtlose Kommunikationsdienste für den industriellen, privaten oder auch medizintechnischen Bereich attraktiv. So müssen in vielen Anwendungen, wie z. B. bei einer Langzeit-Medikamentendosierung oder in Bereichen der Prozesstechnik, Messwerte an entfernten Orten erfasst und Aktoren angesteuert werden, ohne dass diese Orte mit einem Kabel verbunden werden können oder sollen. In diesen Anwendungen könnten verteilte Sensoren und Aktoren eingesetzt werden, die untereinander und eventuell mit einer Basisstation über eine Funkverbindung verbunden sind. Für eine weite Verbreitung derartiger System ist es jedoch unabdingbar, dass sie preisgünstig und miniaturisiert zur Verfügung stehen, Ziel des Projekts ist es, technische Möglichkeiten zu untersuchen und wirtschaftlich praktikable Lösungen aufzuzeigen, wie selbständig und spontan über Funk kommunizierende intelligente, autarke Mikrosysteme realisiert werden können. Dabei soll auch geklärt werden, wie sich derartige Mikrosysteme an verschiedenartige Sensoren und Umgebungsbedingungen anpassen und sich dabei selbständig konfigurieren und testen können. Darüber hinaus soll in dem Projekt untersucht werden, wie sich mit diesen intelligenten, über Funk verbundenen Mikrosystemen neuartige Sensor-Aktor-Netzwerke realisieren lassen, die viele heute noch ungeklärte mess- und regelungstechnische Probleme im industriellen, privaten und medizintechnischen Bereich erfolgreich lösen könnten. Dabei muss sowohl die Hardware als auch die eingesetzte Software in die Untersuchung und Optimierung einbezogen werden. Für die drahtlosen Kommunikationstechniken müssen Ansätze gefunden werden, die eine Ad-hoc-Kommunikation zulassen, ohne die beschränkten Energievorräte der Mikrosysteme unzulässig schnell zu verbrauchen. Zudem muss das Betriebssystem auf derartigen Mikrosystemen die Ad-hoc-Fähigkeit bzw. die Netzwerkkommunikation (z. B. das Routing) entsprechend unterstützen.

Statusreport :
Über Funk kommunizierende Mikrosysteme von Thomas Wendt

Kontakt:
Prof. Dr. Leonhard Reindl
Lehrstuhl für Elektrische Mess- und Prüfverfahren
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7220 | Fax: 0761-203-7222 | E-Mail