Szenarien

Forschungsidee

Das Graduiertenkolleg widmet sich der Thematik der eingebetteten Mikrosysteme. In eingebetteten Mikrosystemen verschmelzen Komponenten der Mikrosystemtechnik (Mikrosensoren und -aktoren) und mikroelektronische Komponenten (Mikrokontroller, integrierte Analogschaltungen, Kommunikationsblöcke und Datenverarbeitungs-einheiten) mit den Methoden und Algorithmen der Informatik zu kompakten, leistungsfähigen Einheiten. Flexible Betriebssysteme, Programmiertechniken für rekonfigurierbare Netzwerke sowie angepasste Kommunikationsprotokolle gehören genauso dazu wie Hardware- und Software-basierte Methoden zur Sicherung eines zuverlässigen und wartungsarmen Betriebs.

Mehr noch als eingebettete Systeme sind eingebettete Mikrosysteme starken Ressourcen-Limitierungen unterworfen. Ungeachtet der Einschränkungen ihres Gewichts, ihres Speichervolumens, ihrer Rechenleistung und der zur Verfügung stehenden Energie müssen sie etwa als autonome Systeme in der Lage sein, anspruchsvolle Aufgaben der Datenerfassung, -verarbeitung und -fusion sowie der Kommunikation und Steuerung wahrzunehmen und je nach Anwendung auch innerhalb vorgegebener Zeitschranken zu erledigen. Erfüllt werden die Anforderungen durch Nutzung unter anderem von Low-Voltage/Low-Power-Schaltungen, optimierten Aufweckstrategien, flexiblen Protokollen sowie ressourcensparenden Codes. Aus diesen einzelnen Aspekten und ihrer vielschichtigen Wechselwirkung ergeben sich technische und methodische Fragestellungen, die vor Beginn des Graduiertenkollegs Eingebettete Mikrosysteme nicht mit derselben Systematik bearbeitet wurden. Das interdisziplinäre Zusammenwirken der Mikrosystemtechnik und der Informatik bietet hierfür eine exzellente Voraussetzung. Die Technische Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit ihren beiden Instituten für Informatik und Mikrosystemtechnik unter ein und demselben Dach ist deshalb fachlich ideal positioniert, sich dieses Themas anzunehmen.

Szenarien

Die Bedeutung von Eingebetteten Mikrosystemen hat in den letzten Jahren sowohl quantitativ als auch qualitativ enorm zugenommen:

Szenario 1

So ist z.B. in der Automatisierung und Produktionstechnik der Einsatz von verteilten Sensornetzen ein höchst attraktives Konzept, denn nur, wer quantitativ kennt, was in einem Prozess vor sich geht, beherrscht diesen Prozess auch, wie Dieter Schaudel von Endress+Hauser, einem der industriellen Partner des Graduiertenkollegs, dies ausdrückt. Das Beispiel Memosens® von Endress+Hauser demonstrierte die Vorteile kompakter dezentraler Systemlösungen auf beeindruckende Weise: Die gesamte Auswerteelektronik eines pH-Sensors inklusive der Sensorkalibrationsdaten ist im schlanken Stecker des Sensors untergebracht. Die Energieübertragung zum Sensor und die Übertragung der Sensordaten in umgekehrter Richtung erfolgen induktiv. Eine erhöhte Zuverlässigkeit, verringerte Störsignalanfälligkeit, eine einfachere Verkabelung und eine günstigere Wartung sind Merkmale. Diese Eigenschaften zusammen machen sich schließlich als Vorsprung auf dem Markt bezahlt, wie anlässlich des Graduiertenkolleg-Workshops im Herbst 2007 dargelegt wurde.

Szenario 2

Ein weiteres attraktives Anwendungsfeld für eingebettete Mikrosysteme stellt der Bereich Logistik dar. Mithilfe mobiler Systeme können Materialflüsse charakterisiert, quantifiziert und auch optimiert werden, ähnlich wie dies durch Verwendung von RFID-Tags oder optischen Codes heute schon erfolgt. Darüber hinaus sind eingebettete Mikrosysteme fähig, dieselbe Aufgabe nicht nur an diskreten Kontrollpunkten, sondern auch kontinuierlich durchzuführen. Durch die parallel gemessenen Sensordaten, ihre kontinuierliche Kommunikation und ihre Interpretation mit Hilfe geeigneter Algorithmen ergibt sich nicht nur ein feineres Bild der logistischen Abläufe, sondern auch der Bedingungen, unter denen sie stattfinden. Eine bessere Kontrolle, verbesserte Qualitätssicherung und erhöhte Effizienz sind potenzielle Vorteile.

Szenario 3

Drittens profitiert auch das hochaktuelle Gebiet der Sicherheitsforschung von der Entwicklung eingebetteter Mikrosysteme. Als autonome mobile Rescue-Fahrzeuge wagen sie sich in Krisengebiete vor und ermöglichen die Planung von Rettungsmaßnahmen unter gefährdenden Bedingungen. Als fein über Gebäudestrukturen verteilte, kommunizierende Sensorsysteme erlauben sie, den Zustand eines Gebäudes vor und nach einem Katastrophenfall zu erfassen und Entscheidungen über zu ergreifende Maßnahmen mit abgesicherten Daten zu untermauern.

Diskussion

Diese drei Anwendungsfelder stehen stellvertretend für unzählige weitere, in denen eingebettete Mikrosysteme ihre Wirkung entfalten können, etwa in der Medizintechnik im Bereich der Patientenüberwachung, des home care und ambient assisted living, im Automobilsektor, bei Consumer-Produkten, sowie in Anwendungen der Virtual Reality.

Das Graduiertenkolleg drückt die Einsicht aus, dass die Erarbeitung und Weiterentwicklung methodischer Grundlagen für das Feld der eingebetteten Mikrosysteme von großer Wichtigkeit ist. Die Strukturierung der entsprechenden Forschungsaktivitäten ist in vier thematische Bereiche

A   Modellierung und Entwurf
B   Diagnose, Test und Zuverlässigkeit
C   Lokalisierung von Mikrosystemen
D   Kommunikation zwischen Mikrosystemen

gegliedert. Darüber hinaus existiert ein themenübergreifendes, interdisziplinäres Postdoktoranden-Projekt

E   Cluster eingebetteter Mikrosysteme

in dem die in den Bereichen A–D erzielten Resultate und erworbenen Kompetenzen verbunden und weiterentwickelt werden.

Die zunehmende Mobilität eingebetteter Mikrosysteme stellt einen klaren Trend dar, der neue Aspekte der Dynamik und damit verbunden beträchtliche wissenschaftliche Herausforderungen insbesondere auch im Hinblick auf Kommunikationsfragestellungen in sich birgt. Dynamische Netzwerke mobiler Mikrosysteme, welche eine gemeinsame Aufgabe erledigen sollen, müssen in der Lage sein, sich der veränderlichen Topologie anzupassen. Dies erfordert neue Ansätze für ein optimiertes Scheduling zur Erledigung verteilter Aufgaben. Die Programmierung von Sensornetzwerken mit limitierten Ressourcen wird durch die Dynamik erschwert, genauso wie die Protokolle, welche über drahtlose Sensornetzwerke laufen, der Dynamik Rechnung tragen müssen. Um einen möglichst sparsamen Betrieb zu gewährleisten, sind Aufweckstrategien ebenso notwendig wie Hardware-Lösungen, welche die Ad-hoc-Kooperation eingebetteter Mikrosysteme demonstrieren. Forschungsbereich D kümmert sich um diese Klasse von Fragestellungen im Kontext mobiler Mikrosysteme.

Durch die Fähigkeit der Lokalisierung werden eingebettete Mikrosysteme erst in die Lage gebracht, ihre Position in der Umwelt oder untereinander zu bestimmen und die zeitliche Entwicklung eines Systems verteilter Mikrosysteme in seiner Umgebung zu beschreiben. Eine zuverlässige Lokalisierung kann etwa über die Messung z.B. von Inertialdaten, Ultraschallsignalen, Magnetfeldern und Strömungsgrößen sowie von optischen Informationen geschehen. Durch die Methoden der Datenfusion lässt sich anhand der Daten ein Modell der Umgebung extrahieren, welches zur Erfüllung von konkreten Aufgaben durch das System in der Umgebung dient. Forschungsbereich C liefert hierfür die Basis durch drei Projekte mit sensorischem Fokus und ein Projekt zur Sensordatenfusion.

Auf den Ebenen der Hardware genauso wie der Software ist die Verfügbarkeit von Entwurfs und Beschreibungswerkzeugen eine unabdingbare Voraussetzung für robuste Lösungen. Eingebettete Mikrosysteme sind angewiesen auf flexible Hardware-Komponenten. Rekonfigurierbare analoge Sensorschaltungen und Mikrocontroller mit hoher Leistungsfähigkeit bei geringem Energieverbrauch sind Beispiele hierfür. Für die Realisierung solch flexibler mikroelektronischer Systeme sind neue Design-Konzepte notwendig. Im Hinblick auf die beschränkten Ressourcen erfordert aber auch die Entwicklung von Betriebssystemen neue Lösungsansätze, so wie auch auf der Stufe der Netzwerkprogrammierung die Erforschung neuer Programmiermethoden eine erhöhte Flexibilität verspricht. Der Forschungsbereich A möchte dazu adäquate Grundlagen schaffen.

Der zuverlässige Betrieb ist eine zentrale Voraussetzung für den Einsatz eingebetteter Mikrosysteme. Der Aufgabe, Systemkomponenten zu testen, Fehler, Drifteffekte oder sogar einen partiellen Ausfall korrekt zu diagnostizieren und gegebenenfalls durch eine Rekalibrierung oder durch Kompensationsmethoden soweit wie möglich zu unterdrücken, fällt daher eine wichtige Rolle zu. Für die digitale Welt sind entsprechende Methoden verfügbar, während in der zumindest teilweise analogen Welt der eingebetteten Mikrosysteme oft nur singuläre Lösungen zur Anwendung kommen. Der Forschungsbereich B versucht hier eine breitere Basis zu schaffen.