Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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  • Publication
    Design kleinster Funksensorsysteme für drahtlose Sensornetzwerke
    (VDM Verlag Müller, 2008)
    Niedermayer, M.
    Der Entwurf miniaturisierter Funksensorknoten für drahtlose Sensornetzwerke ist gekennzeichnet durch eine hohe funktionelle Komplexität in Verbindung mit einer erheblichen, technologischen Realisierungsvielfalt. Die entsprechenden Entwurfsprozesse sind derzeit durch eine isolierte Optimierung einzelner Komponenten charakterisiert. Der Vergleich existierender Entwurfsansätze für elektronische Systeme hat ergeben, dass derzeit keine Methodik den gesamten Entwurfsprozess für miniaturisierte Funksensorknoten ausreichend unterstützen kann. Die Verfahren eignen sich lediglich für bestimmte Entwurfsschwerpunkte. Die vorliegende Forschungsarbeit baut ein ganzheitliches Rahmenwerk auf, welches den Entwickler von miniaturisierten, energieautarken Funksensorknoten bei der bereichsübergreifenden Optimierung unterstützt. Dabei wurde erstmalig der Protokoll- sowie der Schaltungsentwurf von Funksensorknoten mit den volumenrelevanten Entscheidungen hinsichtlich der Komponentengröße und -anordnung zusammenführt. Die zentrale Miniaturisierungsstrategie ist dabei, die Anforderungen hinsichtlich der Volumenkomponenten auf Kosten von Schichtelementen soweit wie möglich abzusenken. Die Identifikation der volumenrelevanten Entwurfsparameter erfolgt über Systemmodelle mit angepasster Granularität, welche die Funktionseinheiten zur Datenerfassung, Funkkommunikation und Energieversorgung auf Bauelementkombinationen abbilden. Auf Basis der wichtigsten Integrationstechnologien und deren Freiheitsgrade wurden weiterhin Volumenmodelle abgeleitet, die zur Abschätzung der Größenanteile einzelner Bauelemente auf den verschiedenen Abstraktionsstufen dienen. Nach der Analyse der verhaltens- und technologiebedingten Freiheitsgrade wurde eine ganzheitliche Entwurfsmethodik zur Miniaturisierung von Funksensorknoten erarbeitet. Dabei wird ein flexibler, modellbasierter Entwurfsansatz verwendet. Die einzelnen Entwurfsschritte ergeben sich dabei während des Entwicklungsprozesses durch Gewichtung der einzelnen Entwurfsentscheidungen in Bezug auf die Gesamtgröße. Zur Ermittlung des konkreten Miniaturisierungspotenzials wurden spezifische Entwurfswerkzeuge für energieautarken Funksensorknoten entwickelt und getestet. Am Beispiel von Reifendrucksensoren sowie Funksensorknoten für ein Logistikszenario wurde die Effizienz der Entwurfsmethodik im praxistauglichen Einsatz verifiziert. Im Rahmen dieser Entwurfsmethodik sind dabei die weltweit kleinsten Funksensorknoten entstanden, die man in drahtlose Adhoc-Netzwerke einbinden kann. Durch die ganzheitliche Betrachtung kann der Entwicklungsaufwand für einen bestimmten Miniaturisierungsgrad gesenkt werden, indem durch Verwendung der vorgeschlagenen Verfahren zur Volumenabschätzung der Entwurf auf volumenbestimmende Elemente konzentriert wird. Neben der Verwendung von Volumenmodellen zur Abschätzung des Miniaturisierungspotenzials können auch weitere ganzheitliche Systemparameter als Zielgrößen, beispielsweise durch Kosten- und Zuverlässigkeitsmodelle, integriert werden. Die entsprechenden Erweiterungen der hier vorgestellten Entwurfsmethodik stellen wichtige Forschungsthemen für den zukünftigen, technologieorientierten Entwurf von Funksensorknoten dar.