2023-06-252024-02-272023-06-25https://hdl.handle.net/11420/15870Die Lausitz und das Land Brandenburg, Heimat unseres Anwendungspartners, verfügen über zahlreiche abgelegene Regionen sowie dünn besiedelte Gebiete, was auch in vielen anderen Regionen der Welt zu finden ist. In diesem Kontext ist eine Digitalisierung von Messstellen eine große Herausforderung; sei es zur Grundwasser-/Gewässer-, Waldbrand-, Bauwerks-, Infrastruktur- oder Geländeüberwachung in Bergbaufolgelandschaften sowie in der digitalen Landwirtschaft. Speziell die Funkschnittstelle zur Vernetzung von Sensoren mit Cloudanwendungen oder Basisstationen limitiert in vielen Fällen die Reichweite, was eine Abdeckung in stark verteilten Szenarien erschwert. Problematisch sind zum einen die benötigten hohen Reichweiten, zum an-deren ein effizienter Einsatz der bei abgelegenen Standorten ohne zentrale Energieversorgung limitierten Batteriekapazität. In vielen Fällen kann über dezentrale Energiegewinnung, z.B. mit Hilfe von Photovoltaik-Zellen ein autarker Betrieb langfristig sichergestellt werden. Aber gerade im professionellen und industriellen Einsatz gibt es viele Anwendungen, bei denen solare Energie oder andere Quellen nicht in ausreichendem Maße verfügbar sind oder Größen- und Gewichtslimitierungen Harvesting-Konzepte verbieten. Deshalb besteht ein großer Bedarf an rein batterie-betriebenen drahtlosen Sensorknoten, die dennoch eine lange Laufzeit garantieren. Gleichzeitig sind die einzelnen Messstellen oft weit verteilt, was für das Senden und Empfangen viel Energie bedarf. Kern des hier beantragten Projekts ist ein energieeffizienter generischer Sensorknoten. Da die Funkschnittstelle den höchsten Energiebedarf aller Komponenten hat, ist dies der Schwerpunkt dieses Projekts. Basierend auf den Erkenntnissen über den Entwurf ressourcenlimiterter Sensorknoten aus dem DFG-Vorläuferprojekt FOR 1508 wird der dort gefundene Systemansatz weiterverfolgt und gezielt die Funkschnittstelle um eine innovative, stromsparende Verstärkertechnik ergänzt, um die Reichweite des Aufweckempfängers (wake-up receiver, WuRX) energieeffizient zu erhöhen. Mit neuen technologischen Ansätzen soll die technische Verwendbarkeit erweitert und damit der Weg in Richtung Kommerzialisierung des Systems bereitet wer-den. Die grundlegende Idee besteht darin, Energie für den Verstärker aus einer hochfrequenten Anregung zu generieren, was dank einer mechanischen Oszillatorresonanz möglich ist. Damit wären die beiden größten Herausforderungen des bestehenden WuRX gelöst – Energieverbrauch und geringe Reichweite. Der mit einem MEMS-paramp ausgestattete Sensorknoten wird damit die ideale Lösung für professionelle und über weite Flächen ausgedehnte Sensornetze. Der Anwendungspartner Actemium BEA wird die Einsetzbarkeit des im Projekt entworfenen Systems im Feld an seinen Automatisierungsanlagen und Maschinen beispielsweise in der Fördertechnik für den Tagebau oder dezentralen Messstellen demonstrieren.Lusatia and the state of Brandenburg, home of our application partner, have numerous remote regions as well as sparsely populated areas, which is also found in many other regions of the world. In this context, a digitization of measuring points is a major challenge; be it for groundwater/water, forest fire, structure, infrastructure or terrain monitoring in post-mining landscapes as well as in digital agriculture. Especially the radio interface for networking sensors with cloud applications or base stations limits the range in many cases, which makes coverage in highly distributed scenarios difficult. On the one hand, the required long ranges are problematic, on the other hand, an efficient use of the limited battery capacity at remote locations without central energy supply. In many cases, decentralized energy generation, e.g. with the help of photovoltaic cells, can ensure self-sufficient operation in the long term. But especially in professional and industrial use, there are many applications where solar energy or other sources are not available in sufficient quantities or where size and weight limitations prohibit harvesting concepts. Therefore, there is a great need for purely battery-powered wireless sensor nodes that nevertheless guarantee a long runtime. At the same time, the individual measuring points are often widely distributed, which requires a lot of energy for transmission and reception. The core of the project applied for here is an energy-efficient generic sensor node. Since the radio interface has the highest energy demand of all components, this is the focus of this project. Based on the findings on the design of resource-limited sensor nodes from the preliminary DFG project FOR 1508, the system approach found there will be pursued further and an innovative, power-saving amplifier technology will be specifically added to the radio interface in order to increase the range of the wake-up receiver (WuRX) in an energy-efficient manner. New technological approaches are to be used to extend the technical usability and thus pave the way towards commercialization of the system. The basic idea is to generate energy for the amplifier from a high-frequency excitation, which is possible thanks to a mechanical oscillator resonance. This would solve the two biggest challenges of the existing WuRX - energy consumption and short range. The sensor node equipped with a MEMS paramp thus becomes the ideal solution for professional sensor networks extending over wide areas. The application partner Actemium BEA will demonstrate the applicability of the system designed in the project in the field on its automation systems and machines, for example in conveyor technology for open-cast mining or decentralized measuring points.