Safe@home - Ein drahtloses Assistenzsystem mit integrierter IEEE 802.15.4a Lokalisierung
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safe@home – Ein drahtloses Assistenzsystem mit integrierter
IEEE 802.15.4a Lokalisierung
Prof. Dr. Christof Röhrig, Fachhochschule Dortmund, Intelligent Mobile Systems Lab, Emil-Figge-Str. 42,
44227 Dortmund, Deutschland, E-Mail: christof.roehrig@fh-dortmund.de
Kurzfassung
Der Beitrag beschreibt das drahtlose Assistenzsystem safe@home, das die Erfassung der Position von Personen ermöglicht
und kommerziell verfügbare Sensoren einbinden kann. Ziel ist die einfache und kostengünstige Ausstattung bestehender
Wohnungen, um den Bewohnern möglichst lange ein sicheres Leben im gewohnten Umfeld zu ermöglichen. Um die
Privatsphäre zu wahren, wird auf eine Kameraüberwachung verzichtet und stattdessen die Funktechnologie IEEE 802.15.4a
zur Lokalisierung von Personen und Objekten genutzt. Das Assistenzsystem dient der Erhöhung des Sicherheitsgefühls
und der Lebensqualität älterer oder behinderter Menschen im eigenen Haushalt durch Erfassung von Sensordaten
und Überwachung sicherheitsrelevanter Aspekte. Durch die drahtlose Lokalisierungsfunktion des Systems und das
kontinuierliches Monitoring von Vitaldaten können Parameterabweichungen in Verhaltensmustern schnell erkannt und
Notsituationen rechtzeitig behandelt werden. Im Vergleich zu anderen Assistenzsystemen ermöglicht die Funklokalisierung
von Benutzern ein feingranulareres Aktivitätsmonitoring und unterstützt weiterhin eine intuitive Benutzerschnittstelle.
1 Einführung Erkrankung erkannt werden.
Das entwickelte Assistenzsystem unterstützt mehrere Funk-
Assistenzsysteme sind aus der Automobiltechnik bekannt
standards und ist damit in der Lage, verschiedenste Sensoren
und dort allgegenwärtig. Die im Auto eingesetzten Syste-
integrieren zu können. Die im AAL eingesetzten Funktech-
me erhöhen den Komfort oder unterstützen den Fahrer bei
nologien sind sehr heterogen, für verschiedene Einsatzzwe-
Gefahrensituationen und helfen so, Unfälle zu vermeiden.
cke werden unterschiedliche Technologien verwendet. Im
Durch den Einsatz von Assistenzsystemen in Automobilen
Bereich der Gebäudeautomatisierung haben sich Funktech-
konnte die Zahl der Unfalltoten stetig gesenkt werden und
nologien wie KNX-RF und EnOcean etabliert. Für die Vi-
es sterben mittlerweile mehr Menschen bei Unfällen im
taldatenerfassung werden u.a. Bluetooth (IEEE 802.15.1)
Haushalt als bei Unfällen im Straßenverkehr, wobei 85%
und Bluetooth low energy (BLE) eingesetzt, wobei auch der
der Personen, die 2008 im Haushalt verunglückten, über
Einsatz von IEEE 802.15.4a denkbar ist.
65 Jahre alt waren [1]. Assistenzsysteme für das „Ambient
Assistes Living“ (AAL) sollen älteren Menschen ein siche- Durch die Verwendung des Funkstandards IEEE 802.15.4a
res Leben zu Hause ermöglichen. Im Vordergrund stehen als Funk-Backbone ist die Lokalisierung von Objekten und
dabei die Aspekte der komfortablen Unterstützung und der Personen möglich, was das Assistenzsystem von anderen
schnellen Hilfe in Notsituationen. Systemen wesentlich unterscheidet. Durch die Lokalisie-
rungsfunktion von safe@home kann ein, gegenüber bisheri-
Das am „Intelligent Mobile Systems Lab“ der Fachhoch-
gen Systemen, feingranulareres Aktivitätsmonitoring erzielt
schule Dortmund entwickelte Assistenzsystem safe@home
werden, welches auch für eine teilautomatische Inbetrieb-
basiert auf der Nutzung von drahtlosen Sensornetzwerken
nahme mit Selbstlernen der Lebensgewohnheiten des An-
und kann dadurch leicht in Wohnungen nachgerüstet werden.
wenders genutzt werden kann.
Das drahtlose Sensornetzwerk dient zur Erfassung von Sens-
ordaten wie Raumtemperatur, Licht etc. und besteht sowohl
aus stationären Sensorknoten und Funkgateways als auch 2 Stand der Wissenschaft und
aus mobilen Knoten, wie beispielsweise Tags zur Sturzer-
kennung. Gerade im häuslichen Umfeld steht die Notfall- Technik
vermeidung und Erkennung an erster Stelle. Notfälle sollen
durch die Fusion von Sensordaten schnell erkannt und Hilfe 2.1 Aktivitätsmonitoring
über das Internet oder das Mobilfunknetz gerufen werden.
Notfälle, die erkannt werden sollen, sind neben dem Sturz Wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Notfallerken-
von Personen, auch auslaufendes Wasser (z. B. überlaufende nung ist das Aktivitätsmonitoring. Dabei wird die tägliche
Badewanne), vergessene elektrische Verbraucher (Bügelei- Aktivität ermittelt und Abweichungen davon werden erkannt
sen, Herd), Rauch (Feuer, vergessene Kerze) sowie offene und gemeldet. Das Aktivitätsmonitoring von Assistenzsys-
Fenster beim Verlassen der Wohnung. Neben der direkten teme im AAL unterliegt gewissen Akzeptanzbarrieren, die
Gefahrenerkennung soll auch die Aktivität der Bewohner in [2] klassifiziert werden. Probleme, die die Akzeptanz der-
erfasst werden. Eine Abweichung vom gewohnten Verhalten artiger Systeme schmälern, sind z. B. datenschutzrechtliche
kann dann erkannt und den Angehörigen mitgeteilt werden. Bedenken und die Angst vor dem Verlust der Privatsphäre.
So kann damit z. B. das Fortschreiten einer demenziellen
Eine Möglichkeit der Aktivitätsüberwachung ist die direkte
Projektbericht safe@home 1
Lokalisierung einer Person in der Wohnung. Dadurch ist Ortung GPS mit Funktechnologien wie WLAN und Blue-
eine feingranulare Erkennung der Bewegung und damit der tooth kombiniert werden [18].
Aktivität der Person möglich. Die Benutzerlokalisierung Für die Bestimmung der Position mittels Funktechnologi-
kann zusätzlich auch für weitere Funktionen genutzt werden. en existieren unterschiedliche Verfahren. Diese Verfahren
So ist die Lokalisierung des Benutzers in der Wohnung ein können nach den Informationen, die sie für die Positionsbe-
essentieller Bestandteil einer intuitiven Benutzerschnittstelle stimmung verwenden, eingeteilt werden:
[3]. Eine Übersicht über die verschiedenen Lokalisierungs-
techniken ist in [4] zu finden. In der Regel wird versucht auf • Verbindungsinformationen (CoO)
eine Kameraüberwachung zu verzichten, um die Privatsphä- • Signalstärken der eingehenden Signale (RSSI)
re zu wahren. • Empfangswinkel der Signale (AoA)
• Empfangszeitpunkte der Signale (ToA)
Ein neuartiges Kamerasystem, welches nur Bewegungsinfor- • Zeitdifferenzen der eingehenden Signale (TDoA)
mationen erkennt und damit die Privatsphäre schützt, wird in • Bidirektionale Umlaufzeit des Signals (RToF)
[5] vorgestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, akustische
Signale zur Sprecherlokalisierung zu nutzen [6]. Durch die Verbindungsinformationen sind fast in jedem drahtlosen Fun-
flächendeckende Ausstattung der Wohnung mit einem Sen- knetz vorhanden. Die Genauigkeit hängt bei diesem Ver-
sorteppich, wie z. B. dem SensFloor R kann die Bewegung fahren mit der Granularität und der Größe der Zellen im
und der Sturz von Personen detektiert werden [7]. verwendeten Funknetz zusammen. Bei diesem, auch „Cell
of Origin“ (CoO) genannten, Verfahren wird die Position
Die Bewegung und damit die Aktivität einer Person kann anhand der mit dem mobilen Knoten assoziierten ortsfes-
auch mittels Beschleunigungssensoren gemessen werden [8]. tem Knoten bestimmt. Jedem ortsfesten Knoten und damit
Um daraus Aktivitätsmuster abzuleiten sind probabilistische auch der Zelle ist eine eindeutige Identifizierung (Cell-ID)
Methoden erforderlich [9]. Einfacher kann die Aktivität von zugeordnet. Die Positionen der ortsfesten Knoten müssen
Personen durch in der Wohnung installierte Bewegungsmel- bekannt sein. Mittels dieses Verfahrens können mit Funk-
der erkannt werden. Die dabei häufig eingesetzten Infrarot- technologien, die eine kurze Reichweite haben, Personen
sensoren sind jedoch nicht besonders empfindlich. In [10] und Objekte raumgenau geortet werden [19]. Ein Beispiel
wird eine Kombination aus Ultraschall- und Infrarotsensoren für eine Funktechnologie, die aufgrund der kurzen Reichwei-
vorgestellt, die auch kleinere Bewegungen des Benutzers im te eine raumgenaue Ortung ermöglicht, ist Bluetooth. Damit
Schlaf erkennen kann. Auch Ultrabreitband-Sensoren, die können Mobiltelefone oder aber auch andere Geräte, die mit
nach dem Radar-Prinzip arbeiten, können zur Messung der Bluetooth ausgestattet sind, grob geortet werden.
Aktivität und sogar zur berührungslosen Vitaldatenerfassung
genutzt werden [11]. Problematisch bei dieser Technologie In die Kategorie CoO fällt auch die Ortung mit passiven
sind die großen Antennen und die eher kurze Reichweite. RFID-Tags. Um eine Person mit RFID-Technik raumgenau
lokalisieren zu können, muss an jeder Tür ein RFID-Lesegerät
Ein häufiges Ziel von Forschungsarbeiten ist das indirekte mit vergleichsweise großer Antenne und hohem Energiever-
Aktivitätsmonitoring mit wenigen leicht nachrüstbaren Sen- brauch angebracht werden. Diese Technologie eignet sich
soren [12]. Mittels Funktechnologie können diese einfach in deshalb eher für Pflegeeinrichtungen als für private Wohnun-
Wohnungen nachgerüstet werden, wobei neben Bewegungs- gen. Servicerobotern oder Rollstühlen können sich mittels
meldern auch Tür- und Fensterkontakte [13], Lichtschalter RFID-Reader, der in kurzem Abstand über einem Boden-
und Kontakte an der Kühlschranktür [14] bis hin zu speziel- belag mit integrierten RFID-Tags (z. B. Navifloor R von
len Drucksensoren für die Detektion der Anwesenheit in Bett Futureshape) angebracht ist, selbst lokalisieren [20, 21].
und Sofa [15], zum Einsatz kommen. Auch Sensoren zur
Vitaldatenerfassung wie das VIVAGO Sicherheitsarmband Verfahren, die empfangene Signalstärken für die Positions-
können für das Aktivitätsmonitoring verwendet werden [16]. bestimmung verwenden, werden RSSI-Verfahren (Received
Zukünftig bieten auch Intelligente Zähler (Smart Meter) die Signal Strength Indicator) genannt. Die Distanz zu einem
Möglichkeit über den Stromverbrauch von Verbrauchern ortsfesten Knoten kann über das logarithmische Distanzver-
Aktivität der Bewohner einer Wohnung zu detektieren. Ei- lustmodell berechnet werden. Dabei wird die Freiraumdämp-
ne Hauptaufgabe ist neben der Sensordatenerfassung auch fung berücksichtigt, die besagt, dass die Signalstärke mit
die Verarbeitung der Sensordaten. Wichtig bei derartigen der Distanz zum Sender quadratisch abnimmt. Allerdings ist
Softwarelösungen ist die Modularität, die weitgehende Hard- dieses Modell aufgrund von Dämpfungen und Reflektionen
wareunabhängigkeit und die Adaption an unterschiedliche der Funksignale in Innenräumen nur sehr eingeschränkt zu
Benutzerverhalten [17]. gebrauchen und eignet sich nur zur raumgenauen Lokalisie-
rung.
2.2 Funklokalisierung Das AoA-Verfahren (Angle of Arrival) verwendet die Ein-
fallswinkel der empfangenen Signale. Dabei werden min-
Wesentlicher Teil des im Artikel vorgestellten Assistenzsys- destens zwei ortsfeste Knoten mit Richtantennen benötigt.
tems ist die Benutzerlokalisierung mittels Funktechnologie. Mit den empfangenen Signalen von einem mobilen Kno-
Die weit verbreitete Satellitenortung per Global Positioning ten kann der Einfallswinkel des Signals bestimmt werden.
System (GPS) ist im Allgemeinen für drahtlose Assistenz- Die Berechnung der Distanz zu den bekannten Positionen
systeme ungeeignet, da GPS für Anwendungen in Gebäuden der ortsfesten Stationen erfolgt mittels Triangulation. Dabei
aufgrund der Signaldämpfung nicht eingesetzt werden kann. werden die Winkelbeziehungen innerhalb eines Dreiecks
Allerdings kann für eine kombinierte Indoor- und Outdoor-
Projektbericht safe@home 2
ausgenutzt. meo wurden auch standardisierte Verfahren vorangetrieben.
Die Techniken „Time of Arrival“ (ToA), „Time Difference Aufbauend auf dem Funkstandard IEEE 802.15.4 wurden
of Arrival“ (TDoA) und „Round-trip Time of Flight“ (RToF) als neue Physical Layer Ultra Wide Band (UWB) und Chirp
bestimmen die Distanz zwischen zwei Knoten durch Si- Spread Spectrum (CSS) in IEEE 802.15.4a definiert, um
gnallaufzeitmessung. Aus den Distanzen zu mindestens drei eine Entfernungsbestimmung zu anderen Knoten genauer
ortsfesten Knoten kann mittels Trilateration die Position 1 m zu ermöglichen [27]. Die IEEE 802.15.4a Technologie
eines mobilen Knotens bestimmt werden. kann sowohl zur Lokalisierung als auch zu Kommunikation
genutzt werden. Zur Lokalisierung wird ein doppelseitiges
Das ToA-Verfahren bestimmt anhand der Signallaufzeit ei- RToF verwendet (siehe Abschnitt 3).
nes Signals die Distanz zwischen zwei Knoten. Vorausset-
zung für ToA ist eine hochgenaue Synchronisation der Uhren
2.3 Bewertung
auf beiden Knoten, damit die Laufzeit exakt bestimmt wer-
den kann. Da Sensorknoten in der Regel nicht über hochge-
Ein drahtloses Sensornetzwerk mit IEEE 802.15.4a Funk-
naue synchronisierte Uhren verfügen, wird dieses Verfahren
technologie bietet vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz
in drahtlosen Sensornetzwerken nicht eingesetzt.
in AAL-Applikationen. Neben der drahtlosen Kommunikati-
Als TDoA werden zwei unterschiedliche Verfahren bezeich- on ist zudem die Lokalisierung von Personen oder Objekten
net. Bei dem einen TDoA-Verfahren sendet ein Knoten möglich. Im Gegensatz zur passiven RFID-Technik kön-
gleichzeitig zwei Signale mit unterschiedlicher Signalaus- nen die Sensorknoten innerhalb einer Wohnung auch über
breitungsgeschwindigkeit aus. Aus den unterschiedlichen eine größere Distanz geortet werden. Um eine Person mit
Empfangszeitpunkten kann im Empfänger die Distanz zum RFID-Technik raumgenau lokalisieren zu können, muss an
Sender bestimmt werden. Dieses Verfahren wird in drahtlo- jeder Tür ein RFID-Lesegerät mit vergleichsweise großer
sen Sensornetzwerken beim Cricket Lokalisierungssystem, Antenne und hohem Energieverbrauch angebracht werden.
welches vom MIT entwickelt wurde und von Crossbow1 ver- Bei IEEE 802.15.4a Sensornetzwerken ist der Installations-
trieben wird, eingesetzt [22]. Dem Vorteil der Vermeidung aufwand wesentlich geringer und es können Sensorknoten
der Uhrensynchronisation steht der Nachteil eines höheren batteriebetrieben werden.
Hardware-Aufwandes in den Knoten gegenüber.
Gegenüber anderen Technologien kann mittels IEEE 802.-
Bei dem anderen TDoA-Verfahren berechnen die ortsfesten 15.4a Funktechnologie ein feingranulareres Aktivitätsmo-
Empfänger die Position eines mobilen Senders aus der Diffe- nitoring erzielt werden. Weiterhin ist eine teilautomatische
renz der Empfangszeitpunkte des Signals. Dieses Verfahren Inbetriebnahme mit Selbstlernen der Lebensgewohnheiten
wird im Mobilfunk auch als „Observed Time Difference of des Anwenders möglich. Die Nutzung von IEEE 802.15.4a
Arrival“ (OTDoA) bezeichnet. Der Vorteil gegenüber ToA als alleinige Funktechnologie ist zum jetzigen Zeitpunkt nur
liegt darin, dass keine Synchronisation zwischen den mobi- mit hohem Entwicklungsaufwand möglich, da das Ange-
len Knoten und den ortsfesten Knoten vorhanden sein muss. bot an Funk-Sensorik mit IEEE 802.15.4a Technologie für
Somit wird keine hochpräzise Uhr in den mobilen Knoten AAL-Anwendungen nicht ausreichend ist.
benötigt. Das Ubisense System2 , welches an der Cambridge
Aktuell ist nicht absehbar, ob zukünftig IEEE 802.15.4a
Universität entwickelt wurde, verwendet diese Variante des
bei der Vitaldatenerfassung eine Rolle spielt. Es gibt eine
TDoA zusammen mit AoA zur Lokalisierung von mobi-
Reihe von Forschungsarbeiten, die IEEE 802.15.4a für den
len Knoten [23]. Das Ubisense System ist für die breite
Einsatz in der Telemedizin untersuchen [28, 29]. Zukünftig
Ausstattung von Wohnungen zu teuer, wird aber zu Benut-
könnte in diesem Bereich aber auch der neue Standard IEEE
zerlokalisierung in der AAL-Forschung eingesetzt [24, 25].
802.15.6 für „Wireless Body Area Networks“ eine Rolle
Beim RToF-Verfahren wird die Umlaufzeit eines Signals spielen [30].
gemessen. Eine Synchronisation der Uhren der Knoten ist
nicht notwendig, da keine absoluten Zeiten zwischen Sender
und Empfänger benötigt werden. Für die Erzeugung des 3 Funklokalisierung mit
Acknowledgement-Frames wird im Empfänger im Vergleich
zur Signallaufzeit eine relativ große Zeitspanne benötigt.
IEEE 802.15.4a CSS
Die führt zu einem Messfehler, falls die Uhren beider Kno- Das bisher einzige kommerziell verfügbare Funklokalisie-
ten während der Messung auseinander laufen (Clock Drift). rungssystem basierend auf IEEE 802.15.4a wird von der Na-
Dieser Fehler kann ausgeglichen werden wenn RToF von notron Technologies GmbH4 entwickelt und vertrieben. Das
beiden Seiten aus initiiert wird (siehe Abschnitt 3). Das dabei verwendete Ranging-Verfahren „Symmetrical Double-
Symeo System3 verwendet RToF zusammen mit der Trans- Sided Two Way Ranging“ (SDS-TWR) gestattet eine funk-
pondertechnik zu Lokalisierung mobiler Knoten [26]. basierte Abstandsmessung anhand der Signallaufzeiten und
Das Interesse an metergenauer Lokalisierung führte in den bietet die Grundlage für eine metergenaue Positionsbestim-
letzten Jahren zu einer Reihe von neuen Verfahren und Pro- mung eines mobilen Objektes [31]. Die drahtlose Kommuni-
dukten. Neben proprietären Verfahren wie Ubisense und Sy- kation sowie das Ranging-Verfahren sind in einem einzigen
Chip, dem Transceiver nanoLOC TRX integriert. Dieses
1 http://www.xbow.com Hochfrequenz-Funkmodul arbeitet in dem weltweit verfüg-
2 http://www.ubisense.net
3 http://www.symeo.com/ 4 http://www.nanotron.de
Projektbericht safe@home 3baren ISM-Band von 2,4 GHz. Die CSS-Modulation bietet 3.1 Positionsbestimmung mittels Trilateration
neben der Möglichkeit der Lokalisierung von mobilen Kno-
ten zusätzlich den Vorteil, dass diese Modulation besonders Sind die Distanzen zu mindestens drei ortsfesten Knoten
energieeffizient ist. Damit eignet sie sich in besonderem bestimmt, kann mit der Trilateration eine Position im zwei-
Maße für einen Batteriebetrieb. dimensionalen Raum berechnet werden. Im Gegensatz zur
Triangulation werden bei der Trilateration nur die Entfernun-
Node A Node B gen zu den ortsfesten Knoten benötigt, dadurch ist dieses
Verfahren deutlich leichter zu implementieren, da die An-
ToF Distance Measurement
forderungen an eine Hardware zur Distanzmessung deutlich
First Measurement
geringer als die für die Bestimmung des Einfallswinkels
Data
Propagation eines empfangenen Signals sind.
Processing
Propagation
Ack P1(x1|y1)
Preamble
Header Second Measurement r1
Data P2(x2|y2)
Propagation r2
Processing
r3
Propagation
P3(x3|y3)
Bild 1: Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging [32]
Der Vorteil von SDS-TWR liegt darin, dass keine zeitli-
che Synchronisierung zwischen den Knoten erforderlich Bild 2: Trilateration mit drei ortsfesten Sensorknoten
ist und dadurch bekannte Probleme anderer zeitbasierter
Lokalisierungsverfahren behoben werden. Das Verfahren Bild 2 zeigt die Trilateration mit drei nicht kollinearen Po-
basiert auf RToF, wobei dieses symmetrisch und doppelsei- sitionen der ortsfesten Knoten und den Entfernungen zu
tig ausgeführt wird. Der genaue Ablauf wird in der Bild 1 diesen. Für die gemessenen Distanzen zu den ortsfesten
dargestellt. Bei SDS-TWR wird die Signalübertragungszeit Knoten gilt:
in zwei Richtungen gemessen (Two-Way Ranging). Dabei q
entstehen zwei Zeitspannen: Die Signallaufzeit (Signal Pro- ri = (p x − xi )2 + (py − yi )2 (2)
pagation Delay) die benötigt wird, um ein Frame von Knoten
A zu B zu übermitteln und eine Bestätigung zurückzusenden,
wird von Knoten A gemessen. Die Zeit um das eintreffende
Die Position des mobilen Knotens p x , py lässt sich damit aus
Datenpaket zu verarbeiten, die Bestätigung zu generieren
den gemessenen Distanzen r1 , r2 , r3 und den bekannten Posi-
und um das Versenden vorzubereiten, wird als Verzögerungs-
tionen der drei ortsfesten Knoten mit Gleichungssystem (3)
zeit (Processing Delay) bezeichnet und von Knoten B gemes-
berechnen.
sen. Die Differenz der beiden Zeitangaben (Signallaufzeit
- Verzögerungszeit) beschreibt somit die zweifache Signal-
übertragungszeit. Zudem wird eine doppelseitige Messung ! !
px 2 · x1 − 2 · x2 2 · y1 − 2 · y2
(Symmetrical Double-Sided) durchgeführt, um den Fehler = H−1 · z mit H =
py 2 · x1 − 2 · x3 2 · y1 − 2 · y3
der Uhrenabweichungen (Clock Drift) zu eliminieren. Da-
zu wird das gleiche Verfahren in umgekehrter Laufrichtung r2 2 − r1 2 + x1 2 − x2 2 + y1 2 − y22
!
durchgeführt, also von Knoten B zu A und zurück zu B. und z =
r3 2 − r1 2 + x1 2 − x3 2 + y1 2 − y3 2
Die Berechnung der Signallaufzeit td ergibt sich wie folgt (3)
(T 1 − T 2 ) + (T 3 − T 4 ) 3.2 Positionsbestimmung unter Verwendung von
td = , (1)
4 Filteralgorithmen
wobei T 1 und T 4 von Knoten A gemessen werden und T 2 Neben der direkten Berechnung der Position aus drei Di-
und T 3 von Knoten B gemessen werden. Über die Ausbrei- stanzmessungen mit Gleichung (3), können auch Filteral-
tungsgeschwindigkeit des Funksignals (Lichtgeschwindig- gorithmen zur Positionsbestimmung genutzt werden. Der
keit) kann damit die Distanz zwischen den beiden Knoten Vorteil beim Einsatz von Filteralgorithmen liegt in der Be-
berechnet werden. rücksichtigung von Messfehlern und Bewegungsmodellen.
Projektbericht safe@home 4Ein häufig für die Positionsbestimmung eingesetzter Algo- Brustgurt5 möglich ist. Langfristig ist geplant, als
rithmus ist das Kalman-Filter. Das Kalman-Filter beschreibt BSN direkt das IEEE 802.15.4a Backbone zu ver-
ein rekursives Verfahren, um den Zustand eines dynami- wenden, um damit die Lokalisierung von Personen zu
schen Systems aufgrund von verrauschten Messungen zu ermöglichen. Dazu müssen aber zuerst Geräte zur Vi-
schätzen, mit dem Ziel, den mittleren quadratischen Fehler taldatenerfassung mit IEEE 802.15.4a verfügbar sein
der Schätzung zu minimieren. Die Grundform des Filters, oder entwickelt werden.
das Diskrete Kalman-Filter (DKF), schätzt den internen Sys-
temzustand in dem Fall, dass der gesamte Prozess durch Bild 3 zeigt das drahtlose Assistenzsystem. Das Assistenz-
lineare Gleichungen dargestellt wird. In dem Fall, dass Pro- system besteht aus dem drahtlosen Sensornetzwerk, welches
zesszustände geschätzt werden sollen, die durch ein zeitdis- aus stationären und mobilen Knoten besteht. Die stationären
kretes, nichtlineares System beschrieben werden, kommt Knoten sind fest positioniert und dienen zur Erfassung von
das Erweiterte Kalman-Filter (EKF) zum Einsatz. Da die Sensordaten und zur Interaktion mit der Umgebung durch
Distanzmessungen nichtlinear von der zu schätzenden Po- ihre Aktoren. Die stationären Knoten sind entweder als Zwi-
sition abhängen, wird zur Positionsbestimmung ein EKF schenstecker realisiert und bilden dann das Backbone oder
eingesetzt. Das Kalman-Filter setzt normalverteile Mess- sind als Geräte des WHA über EnOcean an das Backbone
fehler voraus. Bei der Funklokalisierung treten Messfehler angebunden. Personen sind über das BSN in das drahtlose
durch Mehrwegeausbreitung und „Non-Line-of-Sight“ auf, Sensornetzwerk integriert. Über das Sensornetzwerk kann
die nicht der Normalverteilung entsprechen. In diesem Fall dabei die Position der Person sowie seine Vitaldaten abge-
müssen die Messfehler entweder vorverarbeitet werden [33] fragt werden. Das Sensornetzwerk ist über ein Gateway mit
oder es wird ein Monte Carlo Partikelfilter eingesetzt, bei dem Internet verbunden, so dass darüber Telemonitoring
dem angepasste Sensor- und Bewegungsmodelle Anwen- von Wohnung und Bewohnern durchgeführt werden kann.
dung finden [34]. Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung der Die intelligente Umgebung bietet auch die Möglichkeit, Ser-
Genauigkeit der Lokalisierung ist die Hinzunahme zusätzli- viceroboter zu integrieren. Als preiswerte Unterstützung im
cher Knoten [35]. Haushalt kann ein Staubsaugroboter in das drahtlose Sensor-
netzwerk eingebunden werden. Der Staubsaugroboter kann
selbst mit Sensorik ausgestattet werden, um als mobiler Sen-
4 Systemarchitektur sorknoten Überwachungsaufgaben zu übernehmen.
Das Assistenzsystem safe@home basiert auf der Nutzung Um eine gute Nachrüstbarkeit zu gewährleisten, wird ein
von drahtlosen Technologien und kann dadurch leicht in modulares Konzept für die Integration der Sensorknoten ge-
bestehende Wohnungen nachgerüstet werden. Das System wählt. Das Assistenzsystem soll je nach Bedarf von einem
verwendet drei verschiedene Funktechnologien, die zu ei- Pflegedienstleister oder aber auch von den Angehörigen der
nem Netzwerk verbunden sind: Endbenutzern installiert werden können. Stationäre Sensor-
knoten können sowohl über das Stromnetz betrieben werden
und sind dann Bestandteil des Backbone oder sie sind batte-
• IEEE 802.15.4a Backbone: Das Kernnetz besteht aus
riebetrieben oder auch batterielos und werden über das WHA
Sensorknoten, die permanent mit Strom versorgt wer-
eingebunden. Die Zwischenstecker können gleichzeitig Rou-
den und mit IEEE 802.15.4a untereinander kommuni-
ting-Funktionen übernehmen und bilden das Gateway zum
zieren. Die Sensorknoten sind als Zwischenstecker für
WHA und BSN.
die Steckdose konzipiert und sind mit Sensoren zur
Überwachung der Umgebung ausgestattet. Da diese Batteriebetriebene Geräte werden um Strom zu sparen, die
Knoten immer verfügbar sind, können sie von mobi- meiste Zeit in den Schlafzustand versetzt. Mittels Zeitgeber
len Knoten ständig zur Lokalisierung genutzt werden. wird der Knoten zyklisch geweckt, so dass in regelmäßigen
Weiterhin fungieren diese Knoten als Gateway zu den Zeitabständen Sensordaten erfasst und an die netzbetriebe-
anderen Funktechnologien. Das Kernnetz ist über ein nen Knoten gesendet werden können. Die Batterielebens-
Gateway mit dem Internet verbunden, worüber eine dauer kann somit auf mehrere Jahre verlängert werden. Die
Alarmierung stattfindet. Sensordaten werden dann über netzbetriebene Knoten zum
Gateway geroutet und dort akkumuliert. Im Alarmfall wer-
• Wireless Home Automation (WHA): Diese Funktech- den diese über das Internet an eine Alarmstelle gesendet.
nik dient zur Anbindung der Gebäude-Sensorik und
ggf. der Aktorik. In safe@home wurde hierfür exem- 4.1 Sensorknoten als Zwischenstecker
plarisch die EnOcean Technologie gewählt, da deren
Sensoren Energy Harvesting nutzten und deshalb oh- Eine einfache Möglichkeit der Nachrüstung von netzbetrie-
ne zusätzliche Stromversorgung auskommen. Andere benen Knoten ist durch die Installation als Zwischenstecker
Funktechnologien wie KNX-RF sind aber genauso in Steckdosen gegeben, wobei die angeschlossenen Verbrau-
denkbar. cher darüber auch überwacht und geschaltet werden können.
Bild 4 zeigt die prototypisch realisierten Sensorknoten. Die
• Body Sensor Network (BSN): Dieses Netzwerk dient Sensorknoten unterstützen die Funktechnologien IEEE 802.-
zur Anbindung von Telemedizin- oder Telemonitoring- 15.4a, Bluetooth und EnOcean. Das IEEE 802.15.4a Netz
Geräten. Exemplarisch wurde Bluetooth implemen-
tiert, wodurch z. B. eine Anbindung an einen RunOn- 5 http://run-on.de
Projektbericht safe@home 5Drahtloses Sensornetzwerk mit Lokalisierungsfunktion
Sensor-/Aktordaten
Lokalisierung
Sensor-/Aktor- Sensor-/Aktor-
Knoten Knoten
Lokalisierung
Zentrale Sensor-/Aktordaten Sensor-/Aktordaten
Lokalisierung Lokalisierung
Vitaldaten
Lokalisierung
Position
Sensor-/Aktor-
Internet Alarmmeldungen Knoten
Monitoring Sensor-/Aktor-
Knoten Aufträge, Meldungen,
Lokalisierung
Gateway
Serviceroboter
Bild 3: Drahtloses Assistenzsystem mit Lokalisierung
bildet das Backbone zur Kommunikation und Lokalisie- ten von vorhandenen Wohnungen ohne hohen Installations-
rung, über Bluetooth werden Vitaldaten erfasst (BSN) und und Inbetriebnahmeaufwand ermöglicht.
Bluetoothgeräte wie z. B. Mobiltelefone raumgenau geortet, Eine automatische Ankerkalibrierung reduziert den Arbeits-
EnOcean bildet die Schnittstelle zu den Sensoren der Ho- aufwand bei der Installation eines Funknetzwerkes. Nach
me Automation (WHA). Über den Zwischenstecker kann dem Platzieren der ortsfesten Ankerknoten können deren
Positionen automatisch berechnet werden. Um die korrekte
Lokalisierung zu gewährleisten, müssen dem Tag mindes-
tens drei Positionen von Ankerknoten bekannt sein. Diese
werden durch den nachfolgend beschriebenen Algorithmus
berechnet.
Für eine vorgegebene Menge von N ortsfesten Ankerknoten
A = {A1 , A2 , . . . , AN } sollen die den Knoten zugeordneten
Positionen P = {p1 , p2 , . . . , pN } mit den kartesischen Koor-
dinaten pi = (xi ,yi ) bestimmt werden. ri,i−1 bezeichnet die
Bild 4: Sensorknoten als Zwischenstecker über eine Funk-Messung berechnete Distanz zwischen den
Knoten Ai und Ai−1 . Die erste Ankerposition wird als Ur-
der Stromverbrauch angeschlossener Verbraucher gemessen sprung des Koordinatensystems p1 = (0,0) definiert. Anker
werden, was das Aktivitätsmonitoring unterstützt. Weiterhin A2 ermittelt anschließend die Distanz r2,1 zu A1 . Diese wird
können damit im Gefahrenfall auch die angeschlossenen Ver- als Entfernung der beiden Knoten auf der x-Achse festge-
braucher abgeschaltet werden. In die Sensorknoten wurden legt, womit sich die Position von Anker zwei zu p2 = (r2,1 ,0)
weitere Sensoren zur Erfassung der Umgebungsparameter ergibt. Knoten A3 kann nun die Distanzen r3,1 und r3,2 be-
integriert: stimmen. Somit ist es möglich die Position des dritten An-
kers per Bilateration zu berechnen. Die Kreise mit dem
• Temperatursensor Radius r3,1 um den Mittelpunkt p1 und dem Radius r3,2 um
• Bewegungsmelder (Infrarot) den Mittelpunkt p2 schneiden sich in den beiden Punkten
• Lichtsensor p3 = (x3 ,y3 ) und p3 ∗ = (x3 , − y3 ). Bei diesem Verfahren
Kern des Sensorknotens bildet ein 32 Bit Mikrocontroller wird p3 = (x3 ,y3 ) als Position des dritten Knotens gewählt.
mit ARM Cortex-M3 Architektur. Damit sind auch kom- Das Koordinatensystem kann durch diese Wahl also spie-
plexere Aufgaben wie Sensorvorverarbeitung und Routing gelverkehrt angenommen werden. Bild 5 stellt den bisher
möglich. beschriebenen Ablauf grafisch dar.
Um die Genauigkeit der Lokalisierung zu erhöhen, können
4.2 Automatische Inbetriebnahme nun die Positionen weiterer Ankerknoten mit i > 3 berech-
net werden. Um die Position des i-ten Ankerknotens zu
Durch die Distanzmessung zwischen den Sensorknoten ist
ermitteln, wird lediglich vorausgesetzt, dass mindestens drei
eine Lokalisierung und damit eine automatische Inbetrieb-
Distanzen zu Ankerknoten mit bereits bekannter Position
nahme der Knoten realisierbar. Dadurch wird das Nachrüs-
Projektbericht safe@home 6schen Erkrankungen sein.
Erkennung von Gefahrensituationen – Die Sensoren spielen
A3 in Hinsicht auf die persönliche oder das Umfeld betreffende
r3,1
Sicherheit eine Rolle. Durch Vernetzung und Fusion können
r3,2 Sensoren spezifische Notfallmaßnahmen schnell und auto-
matisiert auslösen. Durch Rauchmelder kann einen Brand
r2,1 erkannt werden und sofort ein Alarm ausgelöst werden.
A1 A2
Ein vergessener elektrischer Verbraucher (Herd, Bügeleisen)
kann dadurch erkannt werden, dass der Benutzer den Raum
für längere Zeit verlassen hat. Der Verbraucher kann dann
abgeschaltet werden. Durch einen Rauchmelder in der Kü-
che ist weiterhin sofort eine Gefahr durch verbranntes Essen
erkennbar. In beiden Fällen kann der Strom des Herdes ab-
geschaltet werden. Bodenfeuchtigkeit z. B. das Überlaufen
einer vergessenen, gerade einlaufenden Badewanne kann
Bild 5: Ablauf der Ankerkalibirerung erkannt und die Wasserzufuhr dann abgeschaltet werden.
Verlässt ein Bewohner die Wohnung und sind gefährliche
Verbraucher eingeschaltet oder ein Wasserzufluss wird er-
kannt, kann die Gefahrensituation durch Abschalten von
gemessen werden können. Ist dies der Fall, kann die Position Strom bzw. Wasser gelöst werden. Der von den Bewohnern
pi per Trilateration eindeutig bestimmt werden. Falls dies getragene Sensorknoten kann auch mit Beschleunigungs-
nicht der Fall ist, müssen die Positionen der Anker über ein sensoren ausgestattet werden, so dass Stürze erkannt und
Bilaterationsnetz berechnet werden [36]. alarmiert werden können.
Nachdem die Ankerkoordinaten festgelegt sind, müssen die Telemonitoring, Telemedizin – Aus medizinischer Sicht kann
Koordinaten der einzelnen Räume zugeordnet werden. Dazu es sinnvoll sein, den betreuten Menschen mit Sensorik auszu-
wird ein mobiler Knoten für das „teachen“ der Raumkoor- statten, um Vitaldaten zu erfassen. Diese Vitaldaten können
dinaten verwendet. In einer dafür vorgesehenen Benutzer- z. B. Blutdruck, Puls, Schweißsekretion und Atemfrequenz
schnittstelle können die einzelnen Räume über ihre Funktion sein. Über das Monitoring dieser Sensordaten können be-
(Wohnraum, Schlafzimmer, Küche, etc.) ausgewählt werden. stimmte Krankheitsprogressionen schneller erkannt werden.
Um die Position eines Raums zu definieren, werden die Im einfachsten Fall können Patienten mit einer Uhr mit
Ecken des Raumes sowie die Türen zu anderen Räumen Sensorknoten ausgestattet werden, die den Puls misst und
mittels „Teach-In“ festgelegt. überträgt sowie den Patienten in der Wohnung lokalisiert.
Eine etwas weitergehende Sensorik ist ein Brustgurt, der
4.3 Szenarien und Funktionalitäten ein 1-Kanal EKG aufnimmt. Durch das 1-Kanal EKG kön-
nen Herzrhythmusstörungen erkannt und eine Alarmmel-
Um die Anforderung an ein längeres selbstbestimmtes Le- dung ausgelöst werden. Mehrkanalige EKGs bieten wei-
ben im gewohnten Umfeld zu ermöglichen, müssen eine tergehende Diagnosemöglichkeiten, verringern jedoch den
Reihen von Funktionalitäten erfüllt werden. Dabei müssen Tragekomfort. Durch die Aufzeichnung und Übertragung
verschiedene Anforderungen, Wünsche, Voraussetzungen der EKGs kann eine telemedizinische Diagnose durchge-
und finanziellen Möglichkeiten berücksichtigt werden. So führt werden.
sollten Lösungen für unterschiedliche Zielgruppen in unter-
Komfortfunktionen – Durch Fensterkontakte und Erkennung
schiedlichen Lebensphasen erbracht werden, die auch einen
des Verhaltens der Bewohner kann die Heizungssteuerung
sanften Übergang ermöglichen. So kann ein Einstieg über
optimal an das Wohnverhalten angepasst werden. Die Nacht-
Komfortfunktionen für nicht pflegebedürftige Menschen er-
absenkung kann an die Schlafphasen der Bewohner adaptiert
reicht werden. Es können aber auch Lösungen einer um-
werden. Serviceroboter (im einfachsten Fall Staubsaugrobo-
fassenden Pflegeversorgung bis hin zur telemedizinischen
ter) können Hilfestellung bei der Reinigung der Wohnung
Betreuung realisiert werden.
geben. Weiterhin können diese zur Inspektion von Räumen
Durch die Lokalisierungsfunktion des Assistenzsystems kön- bei Gefahrensituationen und Alarmen verwendet werden.
nen eine Reihe von bisher nicht realisierbaren Funktionen
ermöglicht werden. Verhaltensmuster der Bewohner können
durch die Lokalisierung im Zusammenhang mit Sensorik an 5 Zusammenfassung
Schranktüren und Fenstern leichter und präziser bestimmt
werden. Abweichungen davon können frühzeitig erkannt Das drahtlose Assistenzsystem safe@home nutzt zur Kom-
werden. Nimmt eine erkrankte Person beispielsweise be- munikation und Lokalisierung die Funktechnologie IEEE
stimmte alltägliche Verrichtungen wie Zähneputzen oder 802.15.4a. Das Kernnetz besteht aus Zwischensteckern, die
Waschen nicht mehr selbständig vor, kann dies auf eine ver- leicht in bestehende Wohnungen nachgerüstet werden kön-
schlechterte Demenz oder eine Depression hindeuten. Auch nen. Die Zwischenstecker haben bereits Sensoren zur Er-
ein ständiges Wiederholen von den gleichen Handlungen fassung von Bewegung, Temperatur, Licht sowie Stromver-
kann ein Hinweis auf eine Verschlechterung von psychi- brauch von angeschlossenen Verbrauchern integriert und
Projektbericht safe@home 7können Verbraucher ein- und ausschalten. Weitere Senso- [8] Hoffmeyer, André ; Teipel, Stefan ; Kirste, Thomas:
ren und Aktoren der Heimautomatisierung werden über die Bewertung des kognitiven Zustandes von Demenzpati-
Funktechnologie EnOcean integriert. Zudem besteht die enten mit Hilfe mobiler Sensoren. Mannheim, Germa-
Möglichkeit durch das Einbinden von Body Sensor Net- ny, 2010
works, Vitaldaten von Patienten zu erfassen und damit Te-
lemonitoring zu ermöglichen. Durch Anbindung an ein Ga- [9] Hoffmeyer, André ; Bauer, Alexandra ; Teipel, Stefan
teway können die Daten über das Internet oder ein Mo- ; Kirste, Thomas: Erkennung von Demenzerkrankun-
bilfunknetz abgerufen bzw. im Alarmfall direkt versendet gen auf der Basis von Bewegungsprofilen mit Hilfe
werden. Im Vergleich zu anderen Assistenzsystemen ermög- hierarchischer Markov-Modelle. Mannheim, Germany,
licht die Lokalisierung von Benutzern ein feingranulareres 2011
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