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Funkanbindung von Sensoren mit stromsparenden UHF-WakeUp-Receiver-ICs

 
: Milosiu, Heinrich

Ivanov, A. ; Hochschule Landshut, Cluster Mikrosystemtechnik:
Mikrosystemtechnik als Schlüsseltechnologie der Systemintegration : 4. Landshuter Symposium Mikrosystemtechnik; Tagungsband zum Symposium; 12./13. März 2014, Hochschule Landshut
Landshut: Hochschule Landshut, Cluster Mikrosystemtechnik, 2014
ISBN: 978-3-9812696-5-9
S.89-94
Landshuter Symposium Mikrosystemtechnik <4, 2014, Landshut>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IIS ()
RFIC; RF integration; integrierte Empfänger

Abstract
Eine für viele technische Bereiche interessante Anwendung ist die Möglichkeit zur funk-basierten Kommunikation mit Sensoren. Der niedrige Stromverbrauch modernster UHF-WakeUp-Funkempfänger im Bereich weniger Mikroampère erlaubt jahrelangen wartungs-freien Batteriebetrieb von Sensormodulen. Spontane Sensorabfragen per Funk müssen von einem Funkempfänger entgegengenommen werden, der ständig eingeschaltet ist. Langjäh-riger Batteriebetrieb ist nur mit einem stromsparenden Funkempfänger möglich. Zusätzlich erfordern die meisten Anwendungen eine Antwort mit geringer Reaktionszeit. Insbesondere für Funkanwendungen im Nahbereich ist eine moderate Empfängerempfindlichkeit von 80 dBm völlig ausreichend. Des Weiteren soll für das nichtstationäre Sensormodul von folgendem Aufbau ausgegangen werden: Kernstück ist die Sensorik bzw. Aktorik als Systemkomponente mit signifikant hohem Stromverbrauch. Dazu kommt ein UHF-Funk-empfänger, der vorzugsweise als WakeUp-Receiver ausgeführt wird und zum Aufwecken der Modulkomponenten und zum Funkdatenempfang verwendet wird. Die Ablaufsteuerung und die Codierung bzw. Decodierung der Sensordaten übernimmt ein Mikrocontroller mit integriertem Speicher. Für viele Anwendungen ist ein Funksender sinnvoll, der Bestätigungs-meldungen (Acknowledge) und Sensordaten mit höherer Datenrate per Funk aussendet. Das Sensormodul besitzt drei Power-Modes. Modus 0 bedeutet, dass alle Komponenten abgeschaltet sind und das Modul keinen Strom verbraucht. Modus 1 heißt, dass nur der strom-sparende WakeUp-Receiver dauernd eingeschaltet ist und kontinuierlich auf Empfang ist, um eingehende Aufwecktelegramme quasi verzögerungsfrei entgegenzunehmen. Alle übrigen Komponenten des Sensormoduls sind abgeschaltet. Im Gegensatz zu den zur Reduzierung des Stromverbrauchs verbreiteten Polling- bzw. Dutycycling-Verfahren treten beim WakeUp-Receiver keine Reaktionszeiten im Sekunden- oder Minutenbereich auf; die Reaktionszeit bleibt unter 40 Millisekunden bei einer Stromaufnahme von 10 Mikroampère. Im Modus 2 ist der Sensor bzw. der Aktor sowie der Mikrocontroller aktiv. Der Funksender wird zur Ausprä-gung bidirektionaler Kommunikation bei Bedarf eingeschaltet. Die Lebensdauer und damit auch der Formfaktor eines batteriebetriebenen Sensormoduls werden maßgeblich durch den Stromverbrauch im Modus 1 (aktiver WakeUp-Receiver) bestimmt. Mit einer Stromaufnahme von nur 10 µA kann bereits eine CR2032-3-Volt-Knopfzelle verwendet werden, damit eine 2 jährige ununterbrochene Betriebsdauer erzielt werden kann. Wird zusätzlich die Sensorik bzw. Aktorik (z.B. 20 mA Stromaufnahme) im Durchschnitt nur einmal pro Stunde für 1 Sekunde aktiviert, ergibt sich eine Gesamtbetriebsdauer von 19 Monaten. Der stromsparende WakeUp-Funkempfänger kann in einem funkgestützten Sensor-Aktor-System mehrere Aktionen auslösen: Sensor initialisieren oder Aktor einschalten, ggf. einen Selbsttest und eine Kalibrierung anstoßen; Sensorwert einholen und abspeichern; aktuellen Sensorwert per Funk zurückmelden; Historie von Sensorwerten per Funk zurückmelden. Zusätzlich erlaubt ein WakeUp-Receiver z.B. die Authentifizierung von Administratoren zur Fernkonfiguration oder auch zum Fernauslösen eines Reset-Vorganges. Eine weitere interessante Möglichkeit zur stromsparenden Funkkommunikation wird als selektives Aufwecken bezeichnet. Damit ist die ID-basierte Vorauswahl via WakeUp-Receiver ohne Aktivierung weiterer Modulkomponenten gemeint. Ein direktes, effizientes Ansprechen bestimmter Sensoren ohne verzögernden Aufbau von Adhoc-Funknetzwerken bei gleichem, niedrigen Stromverbrauch wird durch Verwendung der WakeUp-Receiver-Technologie ermöglicht. Nicht angesprochene Sensormodule bleiben im Stromverbrauch unbeeinflusst. Insgesamt erhält der Systemdesigner eine innovative Funktechnologie zur Implementierung energieeffizienter Systeme zur Zustandsüberwachung durch Sensorik.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-309135.html