Leoben (OTS) – Forscher*innen am Lehrstuhl für Automation und
Messtechnik an der
Montanuniversität Leoben arbeiten an verteilten und vernetzten
Sensorsystemen: Mit dieser Technologie können beispielsweise erste
Anzeichen für Rutschungen und Murenabgängen in erosionsgefährdeten,
meist ländlichen Bereichen überwacht werden. Durch die Integration
von Sensoreinheiten in Schutzbauten wie Steinschlagnetzen lässt sich
deren Zustand kontinuierlich überwachen, wodurch frühzeitig vor
vermehrten Steinschlagereignissen und Murenabgängen gewarnt werden
kann. Die neuartigen Sensor-Systeme können im Sinne des
Gefahrenschutzes aber auch in Staumauern, an Brücken oder Gebäuden
zur Anwendung kommen. Eine andere Anwendung der entwickelten
Technologie ist der Sport: Bewegungssensoren können hier Performance-
Daten von Sportlern etwa während des Schwimmens aufzeichnen,
analysieren und auswerten.
Der Lehrstuhl für Automation und Messtechnik an der
Montanuniversität Leoben konzentriert sich auf die drei
Forschungsschwerpunkte Sensor-Systeme, optische Messtechnik sowie
Automatisierung und Robotik. Übergeordnet über all diese
Themenbereiche beschäftigen sich die Leobener Forscher*innen mit
vielfältigen Themen der Digitalisierung.
Angesprochen darauf, welche Projekte aktuell große
Zukunftsrelevanz besitzen, gibt Univ.-Prof. Thomas Thurner , Leiter
des Lehrstuhls , einen Einblick: „Eine der aktuell spannendsten
Forschungsrichtungen bei uns sind wohl verteilte, vernetzte
Sensorsysteme. Diese können an bestimmten Positionen von großen oder
verteilten industriellen Anlagen, in Infrastruktur wie z. B. Gebäuden
oder aber auch in der Natur platziert werden, etwa als Teil von
Schutzbauten wie Steinschlagnetze. Beschleunigungssensoren und
Neigungssensoren nehmen in diesem Fall an unterschiedlichen
Positionen Daten auf, analysieren diese, und senden die relevanten
Informationen über eine drahtlose Anbindung in eine übergeordnete
Datencloud. Dort werden die übertragenen Daten gesammelt, verarbeitet
und analysiert, um etwa ein permanentes Last- und Bewegungsmonitoring
durchzuführen.“
„Das noch im erfolgreichen Versuchsstadium befindliche System
soll schon bald reale Szenarien überwachen“, erklärt Thurner, „wie z.
B. ob es durch eine Lawine oder einer Mure einen Impact gegeben hat,
ob die Schutzverbauung noch intakt ist, und ob bzw. wie viel Material
in einem Steinschlagnetz liegt.“ Ein wesentlicher Fokus der
Entwicklungsarbeiten wird darauf gelegt, sehr kostengünstige und
möglichst energieautarke Sensor-Systemen zu entwickeln. „Nur so
können wir für Gemeinden und für BürgerInnen interessante Lösungen
schaffen, um eine großflächige Überwachung und Schutzwirkung durch
eine Frühwarnung sicher zu stellen“, erklärt Thurner.
Zwtl.: Physische Prototypen fürs Feld
Die Wissenschaftler*innen erforschen nicht nur neue Technologien
und Methoden, sondern bauen damit reale, physische Prototypen, die
sie „im Feld“ ausprobieren – das reicht von einzelnen Teilkomponenten
bis hin zu kompletten, neuartigen, und autonomen Sensorsystemen.
Thurner: „Bei der Entwicklung derartiger Systeme stellen wir uns die
Fragen: Wie konzipiere ich derartige Systeme, sodass sie perfekt in
der Anwendung funktionieren? Welche Sensoren und
Auswertungsalgorithmen werden benötigt? Wie baue ich diese autonom
funktionierend und energieautark, so dass sie automatisch und ohne
regelmäßiges Zutun wie einen ständigen Batterietausch funktionieren?
Wir integrieren Entwicklungsprototypen in realen Szenarien
beispielsweise in der Natur oder Industrie, um damit gleich das
Systemverhalten und die erreichbare Messleistung unter
Realbedingungen zu evaluieren und iterativ durch Weiterentwicklungen
zu optimieren. Denn für uns ist es wichtig, dass wir mit unserer
Forschung für die Gesellschaft oder Industrie relevante Probleme
lösen“, so der Forscher.
Zwtl.: Internet of Things
Eine Herausforderung ist die Interkonnektivität solcher Systeme
mit verteilten und vernetzten Sensorknoten zu einem sogenannten
Sensor IoT – Sensor Internet of Things . „Um die verschiedenen
Sensoren miteinander zu verbinden, nutzen wir verstärkt das recht
neue LoRa-Netzwerk“, verrät Thurner. Dabei handelt es sich um ein
„Long Range Wide Area Network“, das von der Non-Profit Organisation
LoRa Alliance definiert und vorangetrieben wird. Wie der Name schon
sagt, verbindet das Netzwerk über eine offene, cloudbasierte
Protokoll-Technologie nahezu beliebig viele Module weitläufig sogar
über mehrere Kilometer hinweg miteinander. Im Gegensatz zu anderen
Funktechnologien wie z. B. WLAN oder Mobilfunk ist der Energieaufwand
dabei sehr gering. Die hohe Funkreichweite und Energieeffizienz sind
von Vorteil, wenn man z. B. großflächige Gebiete in puncto
Gefahrenschutz überwachen möchte. Dabei können Messgrößen wie Klima (
Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte), Bewegung und Vibration (
Beschleunigung, Rotation), Lage (Inklination, Erdmagnetfeld),
Position (GPS, IoT-Netz, Relativ-Distanzen über Triangulation) sowie
Akustik und Schall (Luftschall und Körperschall) erfasst und
analysiert werden. Die IOT-Sensor-Systeme sind ebenso in der Lage,
auch komplexere Sensoren wie Infrarotkameras, 2D-Bildsensoren als
auch 3D Sensorik, Radar und Mikrophon-Arrays in Systeme für
Überwachungsaufgaben aufzunehmen. Dafür ist jedoch eine aufwändige
Datenverarbeitung und Analyse im lokalen Sensorknoten unerlässlich,
um die zu übertragende Datenmenge zu minimieren.
Zwtl.: Kostengünstige Gesamtsysteme für Gefahrenregionen
Kombiniert man die aktuelle Drahtlos-Technologie außerdem mit
moderner Sensor-Technologie wie der halbleiterbasierten
Mikrosensorik, ergeben sich spannende Möglichkeiten: Mikromesssysteme
etwa auf MEMS-Basis (Mikro-elektro-mechanische Systeme) kosten wenig,
benötigen für den Betrieb geringe Mengen an Energie, liefern aber
gleichzeitig eine enorme Messperformance. Da man sie in kleine,
autonome Einheiten als intelligente Sensorknoten integrieren und
diese wiederum zu großen, komplexen Systemen zusammenschließen kann,
erhält man ein mächtiges Messsystem, das beispielsweise
maßgeschneidert für das Monitoring von Gefahrensituationen im
naturnahen Umfeld ist. „Im Zuge unserer Forschung betrachten wir die
gesamte Mess- und Analysekette, von der sensorischen Erfassung über
die lokale Signalverarbeitung, die drahtlose Vernetzung mit
Weitergabe der Daten an ein übergeordnetes Cloud-System, sowie die
serverbasierte Datenanalyse auf oberster Ebene des Gesamtsystems. Die
Entwicklungskompetenz über alle wesentlichen Komponenten bis hin zum
gesamten Sensorsystem ermöglicht uns dabei die Realisierung von
optimierten Sensorlösungen, und liefert uns ein tiefgehendes
Verständnis für die erfassten Daten und deren Interpretation“,
erklärt Thurner.
Weitere Branchen, für welche Sensor IoT interessant sein können,
sind die industrielle Automation, die Robotik sowie der Transport-
und Gesundheitssektor.
Zwtl.: Sparsame Energieversorgung und Ortsunabhängigkeit
Ein wichtiger Aspekt bei autonomen verteilten Sensorsystemen ist
in den meisten Fällen deren Energieversorgung, da diese Systeme sehr
oft kabellos mit Batterien oder im Akkubetrieb – und somit sehr
energiesparend ohne externe Energiezufuhr – arbeiten müssen. Hier
kommt das Schlüsselwort Energy Harvesting ins Spiel. Thurner: „Wo
kann man Energie aus der Umgebung des Sensorknotens anzapfen?
Sonnenenergie zum Beispiel über Solarzellen ist wohl am einfachsten,
geht aber nicht immer, etwa bei der Integration von verteilten
Sensorsystemen im Berg- und Tunnelbau, wo wir ebenso derartige
Sensortechnologien integrieren. Deshalb stellen wir Überlegungen an,
wie man zum Beispiel aus vorhandener Bewegung, Vibration oder Wärme –
eigentlich aus einer Temperaturdifferenz – Energie zum Betreiben der
Sensorknoten herausholen kann, sodass im besten Fall so ein
Sensorknoten ohne Batteriewechsel oder manuelles Laden und bei jedem
Wetter über viele Monate und Jahre autonom funktioniert.“
Ein weiterer Vorteil dieser Messsysteme ist, dass sie
wirtschaftlich günstig hergestellt werden können. Thurner rechnet
vor: „Ein Gesamtsystem zur Überwachung von Hangrutschungen mit
mehreren Sensorknoten würde nur wenige hundert Euro kosten. Mitunter
ein Grund, dass Gemeinden, die von Hangrutschungen bedroht sind, sich
eine Anschaffung ohne weiteres überlegen können. Damit könnten viele
derartige Systeme kostengünstig installiert und betrieben werden um
rechtzeitig solche Gefahrensituation zu erkennen. Unsere Technologie
könnte dadurch entscheidend mithelfen, dass im Fall von derartigen
Naturkatastrophen möglichst keine Personen zu Schaden kommen sowie
die unter Umständen enormen Sachschäden deutlich reduziert oder gar
vermieden werden können.“
Zwtl.: Sensoren für den Sport und die Gesundheitsdiagnostik
Thomas Thurner stellt noch ein weiteres Gebiet vor, in dem
Bewegungssensoren in kleinen, leichten, drahtlosen Sensoreinheiten
zum Tragen kommen – im Sport: „In einem aktuellen Forschungsprojekt
bauen wir IoT-basierte Schwimmsensorik, um die Schwimmbewegungen mit
smarten Schwimm-Paddles präzise zu
tracken. Wir messen dabei Bewegungsabläufe und erfassen die
Kraft, die ein Schwimmer ins Wasser bringt.
Diese Performance-Daten kann man über eine Smartphone App
verfügbar machen und im Detail auch bereits während einer
Trainingseinheit analysieren. Somit kann der korrekte Bewegungsablauf
und damit die Leistungsfähigkeit sowie der Trainingsfortschritt als
Leistungskurve überwacht werden. Das könnte nicht nur für
Profiathleten interessant sein, sondern – nachdem die Technologie
sehr kostengünstig ist – auch für ambitionierte Hobbysportler.“
Rückfragehinweise
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Thomas Thurner
Leiter am Lehrstuhl für Automation und Messtechnik an der
Montanuniversität Leoben
E-Mail: [email protected]
Tel.: +43 3842 402 5301