WO2005088260A1 - Sensorknoten und sich daraus selbst organisierendes sensornetzwerk - Google Patents

Sensorknoten und sich daraus selbst organisierendes sensornetzwerk Download PDF

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WO2005088260A1
WO2005088260A1 PCT/EP2005/050645 EP2005050645W WO2005088260A1 WO 2005088260 A1 WO2005088260 A1 WO 2005088260A1 EP 2005050645 W EP2005050645 W EP 2005050645W WO 2005088260 A1 WO2005088260 A1 WO 2005088260A1
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Michael Bahr
Dirk Becker
Martin Greiner
Peter Gulden
Dieter Kolb
Rainer Sauerwein
Rudolf Sollacher
Martin Vossiek
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D9/00—Recording measured values
    • G01D9/005—Solid-state data loggers

Definitions

  • Sensors in buildings and systems are designed to detect fires or poisonous vapors, measure material loads in load-bearing building parts or system components, record the climatic conditions in the room, locate sound, determine the presence of people or locate people, materials or devices.
  • the object of the invention is to enable the construction of a sensor network which avoids the disadvantages described.
  • a sensor node has means for distance measurement, sensor means for measuring a sensor measured value in addition to the distance, and means for wireless communication. indication of the measured distance and the sensor measured value.
  • the means for communication are in particular means for communicating with a further sensor node.
  • the means for communication preferably have a WLAN module.
  • the means for distance measurement advantageously measure the distance over the transit time of a signal, in particular a high-frequency signal.
  • a signal in particular a high-frequency signal.
  • they contain, for example, a radar module.
  • they can have special filtering or learning methods, in particular in the form of a Kalman filter.
  • a sensor network consists in particular of a multiplicity of sensor nodes according to one of the aforementioned types. This enables a self-organizing sensor network to be used to monitor buildings and systems and to navigate maintenance, security and rescue workers.
  • the means for measuring the distance of the individual sensor nodes are preferably used and coordinated such that the position of the individual sensor nodes is determined via the combined measurement of the distances between the sensor nodes.
  • At least one sensor node preferably has storage means for storing its absolute position.
  • the sensor node can then be brought to several locations, with its absolute position being stored in its storage means.
  • the sensor network then takes the absolute position of the sensor node at each of these multiple locations and can thus clearly position itself in three-dimensional space.
  • a plurality of sensor nodes have storage means for storing their absolute position and the plurality of sensor nodes are positioned at different positions.
  • the means for communicating the sensor nodes are preferably set up in such a way that sensor nodes in the sensor network can communicate with distant sensor nodes by forwarding the communication via neighboring sensor nodes. This is done in particular via position-based multi-hop routing.
  • the sensor network is advantageously set up in such a way that the sensor measured values of the sensor nodes and the positions of the sensor nodes can be queried.
  • the sensor network works as a self-organizing sensor network without a central authority.
  • a sensor network according to one of the previously described versions is used to measure the sensor measurement values.
  • Advantageous refinements of the method result analogously to the advantageous refinements of the sensor network and vice versa.
  • FIG. 1 shows a sensor node.
  • each sensor node 1 contains a housing 2, a power supply 3, for example in the form of a battery or an accumulator, a main computing unit 4, means 5 for communication with one or more further sensor nodes, the means 5 for communication being in the form of a radio module, means 6 for distance measurement in the form of a radar module and sensor means 7 for measuring a sensor measured value in addition to the distance.
  • the power supply 3, the main computing unit 4, the means 5 for communication, the means 6 for distance measurement and the sensor means 7 are located in the housing 2.
  • the housing 2 and thus the sensor node 1 also have connections 8 for one or more Antennas, a connector 9 for power supply and a connector 10 for external devices for data exchange, eg via Ethernet.
  • the means 5 for communication in the form of the radio module allow the communication of the sensor node 1 with neighboring sensor nodes, for example via the WLAN standard. Position-based multi-hop routing can also be used to reach remote sensor nodes.
  • the means 6 for distance measurement in the form of the radar module carry out distance measurements to neighboring sensor nodes.
  • suitable filtering and / or learning methods such as a Kalman filter, the sensors can be localized in an internal coordinate system.
  • the internal coordinate system can be synchronized with that of an external map of the environment.
  • the sensor means 7 in the form of the sensor module deliver various sensor measured values. Together with sensor measurement values of neighboring sensor nodes are used to train a local regression model that allows spatial or even spatiotemporal profiles of sensor measurements to be created. These profiles can be queried by external applications. These applications can be, for example, visualization methods on portable computers, each of which is connected to a sensor node.
  • the sensor nodes require little effort for the installation and operation of a sensor network.
  • the sensor network is able to precisely localize individual, in particular mobile, sensor nodes. It scales well, which means that it can be easily expanded with additional sensor nodes and can therefore increase coverage or resolution.
  • the functionality of the sensor network is only noticeably impaired by the failure of many sensor nodes, since the communication can switch to other routes and the sensor information is stored distributed in the network.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
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Abstract

In einem selbst organisierenden Sensornetzwerk organisiert sich eine Vielzahl von Sensorknoten, die dafür Sensormittel, Mittel zur Entfernungsmessung und Mittel zur Kommunikation aufweisen. Das Sensornetzwerk ist in der Lage, einzelne, ins­besondere mobile, Sensorknoten genau zu lokalisieren.

Description

Beschreibung
Sensorknoten und sich daraus selbst organisierendes Sensornetzwerk
Sensoren in Gebäuden und Anlagen sollen Brände oder giftige Dämpfe detektieren, Materialbelastungen in tragenden Gebäudeteilen oder Anlagenkomponenten messen, die raumklimatischen Bedingungen erfassen, Schall orten, die Anwesenheit von Per- sonen feststellen oder Personen, Material oder Geräte orten.
Bisherige Lösungen können diese Aufgaben nur teilweise und in der Regel mit einem hohen Installations-, Konfigurations- und Wartungsaufwand lösen. Die meisten Sensorsysteme sind bei- spielsweise verkabelt, wodurch ein erheblicher Aufwand für die Installation anfällt. Häufig senden sie ihre Daten an einen zentralen Rechner, der dann die Auswertung vornimmt. Solche zentralistischen Lösungen skalieren schlecht und fallen komplett aus, wenn der zentrale Rechner ausfällt. In großen Sensornetzen ist auch die Ortung der einzelnen Sensoren ein großes Problem, da ...ihre Position registriert sein und auch immer aktualisiert werden muss. Ein weiteres, mit erheblichem technischen Mehraufwand verbundenes Problem bei dieser Art von Netz ist die Einbindung mobiler Knoten.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Sensornetzwerkes zu ermöglichen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dementsprechend weist ein Sensorknoten Mittel zur Entfer- nungsmessung, Sensormittel zum Messen eines Sensormesswertes zusätzlich zur Entfernung sowie Mittel zur drahtlosen Kommu- nikation der gemessenen Entfernung und des Sensormesswertes auf.
Die Mittel zur Kommunikation sind insbesondere Mittel zur Kommunikation mit einem weiteren Sensorknoten.
Vorzugsweise weisen die Mittel zur Kommunikation ein WLAN- Modul auf .
Die Mittel zur Entfernungsmessung messen die Entfernung vorteilhaft über die Laufzeit eines Signals, insbesondere eines Hochfrequenzsignals. Dazu enthalten sie beispielsweise ein Radarmodul. Darüber hinaus können sie besondere Filter- oder Lernverfahren aufweisen, insbesondere in Form eines Kalman- filters.
Ein Sensornetzwerk besteht insbesondere aus einer Vielzahl von Sensorknoten nach einer der zuvor genannten Arten. Dadurch lässt sich ein selbst organisierendes Sensornetzwerk zur Überwachung von Gebäuden und Anlagen und zur Navigation von Wartungs-, Sicherheitspersonal und Rettungskräften erstellen.
Vorzugsweise werden die Mittel zur Entfernungsmessung der einzelnen Sensorknoten so eingesetzt und koordiniert, dass über die kombinierte Messung der Entfernungen der Sensorknoten zueinander die Position der einzelnen Sensorknoten ermittelt wird.
Soll nicht nur die Position der Sensorknoten relativ zueinander bekannt sein, sondern auch die absolute Position der Sensorknoten, so weist vorzugsweise mindestens ein Sensorknoten Speichermittel zum Speichern seiner absoluten Position auf. Der Sensorknoten kann dann an mehrere Orte gebracht werden, wobei jeweils in seinen Speichermitteln seine absolute Position gespeichert wird. Das Sensornetzwerk nimmt dann an jedem dieser mehreren Orte die absolute Position des Sensorknotens auf und kann sich dadurch eindeutig im dreidimensionalen Raum positionieren. Alternativ weisen mehrere Sensorknoten Speichermittel zum Speichern ihrer absoluten Position auf und die mehreren Sensorknoten werden an unterschiedlichen Positionen positioniert.
Die Mittel zur Kommunikation der Sensorknoten sind vorzugsweise so eingerichtet, dass Sensorknoten im Sensornetzwerk durch Weiterleitung der Kommunikation über benachbarte Sen- sorknoten mit entfernten Sensorknoten kommunizieren können. Dies erfolgt insbesondere über positionsbasiertes Multi-Hop- Routing.
Vorteilhaft ist das Sensornetzwerk so eingerichtet, dass die Sensormesswerte der Sensorknoten und die Positionen der Sensorknoten abfragbar sind.
Das Sensornetzwerk kommt als selbst organisierendes Sensornetzwerk ohne zentrale Instanz aus.
In,einem Verfahren zur ortsaufgelösten Messung γon Sensormesswerten wird zur Messung der Sensormesswerte ein Sensornetzwerk nach einer der zuvor beschriebenen Ausprägungen verwendet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausgestaltungen des Sensornetzwerkes und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile folgen aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die Figur einen Sensorknoten.
Das Verfahren zur ortsaufgelösten Messung von Sensormesswerten und das zugehörige selbst organisierende Sensornetzwerk basieren auf drahtlos vernetzten Sensorknoten, die ihre Kom- munikation, Positionierung und Sensordatenverarbeitung wei- testgehend selbst organisieren. Jeder Sensorknoten 1 enthält, wie in Figur 1 dargestellt, ein Gehäuse 2, eine Stromversor- gung 3, beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators, eine Hauptrecheneinheit 4, Mittel 5 zur Kommunikation mit einem oder mehreren weiteren Sensorknoten, wobei die Mittel 5 zur Kommunikation in Form eines Funkmoduls aus- gebildet sind, Mittel 6 zur Entfernungsmessung in Form eines Radarmoduls und Sensormittel 7 zum Messen eines Sensormesswertes zusätzlich zur Entfernung. Die Stromversorgung 3, die Hauptrecheneinheit 4, die Mittel 5 zur Kommunikation, die Mittel 6 zur Entfernungsmessung und die Sensormittel 7 befin- den sich im Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 und damit der Sensorknoten 1 verfügt darüber hinaus noch über Anschlüsse 8 für eine oder mehrere Antennen, einen Anschluss 9 zur Spannungsversorgung und einen Anschluss 10 für externe Geräte zum Datenaustausch, z.B. über Ethernet.
Die Mittel 5 zur Kommunikation in Form des Funkmoduls erlauben die Kommunikation des Sensorknotens 1 mit benachbarten Sensorknoten beispielsweise über den WLAN-Standard. Durch po- sitionsbasiertes Multi-Hop-Routing können auch entfernte Sen- sorknoten erreicht werden.
Die Mittel 6 zur Entfernungsmessung in Form des Radarmoduls führen Distanzmessungen zu benachbarten Sensorknoten aus. Durch Austausch von geschätzten Positionen über die Mittel 5 zur Kommunikation und unter Verwendung von geeigneten Filter- und/oder Lernverfahren, wie beispielsweise eines Kalmanfil- ters, können sich die Sensoren in einem internen Koordinatensystem lokalisieren.
Durch Eingabe absoluter Koordinaten für mehrere Sensorknoten oder für einen mobilen Sensorknoten an verschiedenen Orten durch eine angeschlossene Applikation kann das interne Koordinatensystem mit dem einer externen Karte der Umgebung synchronisiert werden.
Die Sensormittel 7 in Form des Sensormoduls liefern verschiedene Sensormesswerte. Diese werden zusammen mit Sensormess- werten benachbarter Sensorknoten benutzt, um ein lokales Regressionsmodell zu trainieren, das es erlaubt, räumliche oder gar raum-zeitliche Profile von Sensormessgrößen zu erstellen. Diese Profile können von externen Applikationen abgefragt werden. Diese Applikationen können beispielsweise Visualisierungsverfahren auf tragbaren Rechnern sein, die jeweils mit einem Sensorknoten verbunden sind.
Die Sensorknoten erfordern wenig Aufwand für die Installation und für den Betrieb eines Sensornetzwerkes. Das Sensornetzwerk ist in der Lage, einzelne, insbesondere mobile, Sensorknoten genau zu lokalisieren. Es skaliert gut, das heißt, es lässt sich leicht mit zusätzlichen Sensorknoten erweitern und kann dadurch die Abdeckung oder die Auflösung erhöhen. Die Funktionsweise des Sensornetzwerkes wird nur durch den Ausfall vieler Sensorknoten merklich beeinträchtigt, da die Kommunikation auf andere Routen ausweichen kann und die Sensorinformationen im Netzwerk verteilt gespeichert sind.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorknoten mit Sensormitteln (7) zum Messen eines Sensormesswertes, - Mitteln (6) zur Entfernungsmessung, - Mitteln (5) zur Kommunikation.
2. Sensorknoten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5) zur Kommunikation Mittel zur Kommunikation mit weiteren Sensorknoten sind.
3. Sensorknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5) zur Kommunikation ein WLAN-Modul aufweisen.
4. Sensorknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Entfernungsmessung Mittel zur Messung einer Signallaufzeit aufweisen.
5. Sensorknoten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Entfernungsmessung einen Kaimanfilter aufweisen.
6. Sensornetzwerk aufweisend eine Mehrzahl von Sensorknoten (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Sensornetzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten (1) Mittel zur Positionsbestimmung über die Mittel (6) zur Entfernungsmessung aufweisen.
8. Sensornetzwerk nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sensorknoten Speichermittel zum Speichern seiner absoluten Position aufweist.
9. Sensornetzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5) zur Kommunikation so eingerichtet sind, dass Sensorknoten (1) im Sensornetzwerk durch Weiterleitung der Kommunikation über benachbarte Sensorknoten mit entfernten Sensorknoten kommunizieren können.
10. Sensornetzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensornetzwerk so eingerichtet ist, dass die Sensormesswerte der Sensorknoten (1) und die Positionen der Sensorknoten (1) abfragbar sind.
11. Sensornetzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dasa.das Sensornetzwerk ein selbst organisierendes Sensornetzwerk ist.
12. Verfahren zur ortsaufgelösten Messung von Sensormesswer- ten, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Sensormesswerte ein Sensornetzwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 11 verwendet wird.
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