Smart Micro Systems FMD INNOVATION DAY 2018 - Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
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Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
eine Kooperation DES Fraunhofer-VerbundS Mikroelektronik und Leibniz FBH sowie
Leibniz IHP
Allgem eine Präs entation
FMD INNOVATION DAY 2018
Smart Micro Systems
Berlin, 27.9.2018
Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
eine Kooperation DES Fraunhofer-VerbundS Mikroelektronik und Leibniz FBH sowie
Leibniz IHP
Allgem eine Präs entation
SESSION 1
Autarke Mikrosysteme
Berlin, 27.9.2018
Session 1: Autarke Mikrosysteme
»Autarke Mikros y s tem e in der
Anw endung«
Dr.-Ing. Stephan Guttowski, FMD
Berlin, 27.9.2018
Gliederung
1. Hintergrund & Relevanz des Themas
2. Eingrenzung des Themas und Begriffsbestimmung
3. Markt- und Technologieübersicht
4. Einsatzbereiche Autarker Mikrosysteme
5. Anbieterübersicht: FMD-Kompetenzen im Bereich Autarke Mikrosysteme
6. Ausblick
Berlin, 27.9.2018
Hintergrund & Relevanz des Themas
Zukünftige Anw endungen (z.B. IoT) erfordern zunehmend energieautarke, kosteneffiziente Mikrosysteme:
Die Aufgabe solcher Mikrosysteme besteht darin, den Zustand von Objekten oder Personen zu erfassen,
die Daten zu verarbeiten und die so gewonnenen Informationen drahtlos weiterzuleiten.
Kennzeichen für diese Applikationen sind oft
besonders harte Anforderungen an Zuverlässigkeit
und Robustheit unter extremen
Betriebsbedingungen
(Temperatur, Druck, mechanische Belastung).
Konkrete »Market Driv ers «
Zunehmende Vernetzung: Internet of Things
Energieeffizienz
Prozesseffizienz / Kosten
Sicherheit
Größe, Form Factor (siehe Abbildung) Quelle: Yole 2014, Sensors & Technologies for The Internet of Things, S. 80
Berlin, 27.9.2018
Eingrenzung des Themas und Begriffsbestimmung
Ein Mikros y s tem ist ein miniaturisiertes Gerät bzw. Bauteil, dessen Komponenten kleinste
Abmessungen im µ-Bereich haben und als System zusammenwirken. Üblicherweise besteht ein
Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf
einem Substrat bzw. Chip.
Ein autarkes Mikros y s tem ist ein technisches System, das durch folgende Merkmale
gekennzeichnet ist:
Autonom (autarke Energieversorgung)
vernetzt (drahtlose Kommunikation)
Alternativ e Begriffe
Miniaturisierter autarker Sensorknoten
Energieautarke/energieeffiziente
Sensorik- bzw. Sensorsysteme
Berlin, 27.9.2018
Markt- und Technologieüberblick
Funktionsgruppen autarker Mikrosysteme
Sensorelement(e)
Signalverstärker bzw. -wandler
Mikrocontroller
Datenspeicher
RF-Transceiver
Antennen
Energiespeicher
anwendungsspezifisches Gehäuse
(Packaging, Systemintegration)
Berlin, 27.9.2018
Markt- und Technologieüberblick
Sensorik
Grundsätzlich ist jedes Sensorprinzip für den Einsatz
in autarken Mikrosystemen geeignet
Bei der Auswahl ist aber zu beachten:
Energieverbrauch
Eignung für Intervallbetrieb – kurze Anlaufzeit
kaum/geringe Signalaufbereitung notwendig
Formfaktor
hohe mechanische Robustheit
Kosten
keine Wartung/Kalibrierung möglich
Berlin, 27.9.2018
Markt- und Technologieüberblick
Kommunikation: FMD-Beispiel s-net®-Technologie (IIS)
Anforderungen an Kom m unikations protokolle in S ens ornetzen Aufgaben/Rollen S ens orknoten d. drahtlos e Kom m unikation
Energie: Betriebsdauer/Lebenszeit des Systems Gatew ay -Knoten: Verbindung Sensornetz mit Backend
Latenz & Datendurchs atz: Datenübertragung Zw is chenknoten Datenweiterl., Ankerknoten z. Lokalisierung
S kalierbarkeit: Anzahl/Verteilung TN, mobile Knoten, Teilnetze
Endknoten: Sensor. Erfassung, Datenverarbeit., Anwend.logik
Topologie: Anzahl, Anordung und Verteilung der Knoten
s -net®-Technologie
US P
s-net schafft das Fundament für die drahtlos e Vernetzung und Lokalis ierung.
Geringer Stromverbrauch, bidirektionale Technologie, optimierte Kommunikationsprotokolle zur Realisierung energiesparender drahtloser Sensornetze
Als Low Throughput Network (LTN) erlaubt es auch bei begrenzter Bandbreite eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit und dezentrale Entscheidungslogik.
Anw endungen
Dem ons tratoren
1. Langlebige Systeme zur großflächigen, verteilten Datenerfassung/-sammlung
(z.B. drahtlose Verbrauchswerterfassung/S m art Metering im Gebäudebereich) 1. Adaptive Funkvernetzung für lokale IoT-Anwendungen
2. Lokalisierung von Personen und Objekten 2. Intelligentes Behälterm gt. für digitalisierte Wertschöpfungsketten
(z.B. As s et Managem ent in Kliniken)
3. Drahtlose Kommissionierung für Pick-by -Local-Light S y s tem e
3. Systeme zur eigenständigen Bearbeitung von Aufgaben
(z.B. S m art Objects zur Überwachung von Lieferketten)
Berlin, 27.9.2018
Markt- und Technologieüberblick
Energieversorgung
Energieversorgung durch Energy Harvesting (EH)
Energiemengen sind nur in kleinen Mengen
in der Umgebung verfügbar
Wirkungsgrad von Energiewandlern bzw. verfügbares
Bauvolumen ist begrenzt
Kleinste Ströme und Spannungen müssen
durch Mikroelektronik nutzbar gemacht werden
Innenwiderstände von Energiewandlern: Pulsströme müssen
über Zwischenspeicher gedeckt werden
Anpassung an Umgebung: Umweltenergie (Wärme, Bewegung)
muss effektiv zum Energiewandler geführt werden
Berlin, 27.9.2018Einsatzbereiche* von Autarken Mikrosystemen
Indus trie: Überwachung von großen Maschinen, Motoren und Anlagen (Condition Monitoring)
Manufacturing (Industrial IoT, Industrie 4.0): Monitoring der Prozesse
Oil & Gas (»remote places«)
Food & Beverage (»harsh environments«)
Logis tik: Nachverfolgung von Gütern und Betriebsmitteln
Kommissionierung, Lagerhaltung (autonome Positionierung)
Autonome Gabelstapler
Trans portation & Autom otiv e
Monitoring von Zügen, Schiffen, Infrastruktur (Smart Streets)
Reifendruck-Sensoren, batterieloses Sicherheitssystem
* Studien zu Wireless Sensors und Energy Harvesting Technologies (Yole etc.)
Berlin, 27.9.2018Einsatzbereiche von Autarken Mikrosystemen
Energie & Um w elt
Smart Metering/Sub-Metering: Verbrauchswerterfassung von Strom, Wasser und Gas
Gas Detection, CO2-Mess-Systeme, Agriculture (pH-Wert oder Pestizid-Menge des Bodens)
S m art Hom e & S m art Buildings
Steuerung von Licht, Heizung, Klimaanlagen, Sonnenblenden, Home Automation
Beleuchtungs-/HVAC*-Management, Wall Switches, Intelligent Radiator Valves
Digitales Leben & Ges undheit
Überwachen von Vitalparametern des menschlichen Körpers
Invasive Medizin
S icherheit: Fenstersensor zur Zustandsüberwachung und Einbruchserkennung
* HVAC = Heating, Ventilation, and Air Conditioning
Berlin, 27.9.2018ECoMoS – autarke Mikrosysteme zur Überwachung einer
Fertigungsanlage
Anforderung
Permanente Überwachung des Zustandes von Maschinen
mittels verteilter Sensorik
Verwendung der Energie aus der Umgebung der Maschinen
Aufbau eines Netzes zur Erfassung des Zustandes der Anlage
S zenario
Antriebe in Papiermaschinen leiden unter Lagerschäden
Zustandsorientierte Wartung verlängert die Laufzeiten der
Anlage und senkt die Betriebskosten
Berlin, 27.9.2018Autarker Mikrosysteme zur Überwachung des
Versorgungsnetzes
Anforderung
Überwachung der Stromtragfähigkeit von
Hochspannungsleitungen
Verwendung der Energie aus der Umgebung der Maschinen
Einspeisung der Daten aus den Spannfeldern in die
Leitwarten
S zenario
Stromtragfähigkeit hängt maßgeblich von den lokalen
Wetterbedingungen ab
Bestimmung der aktuellen Leitungskapazitäten ermöglicht
eine Verbesserung der Auslastung existierender Anlagen
Berlin, 27.9.2018Anbieterübersicht
Kompetenzen in der FMD zu Autarken Mikrosystemen (1/4)
Kom petenzen in den FMD-Ins tituten zu Autarken Mikros y s tem en
Drahtlos/Funk-Übertragung, Umweltmonitoring, mechanische und Solar-Harvester IPMS
Low-Power-Elektronik, Aktorik EMFT
Energy Harvesting, Sicherheitsanwendungen IMS
Lokalisierung, Ortung, Kommunikation (z.B. Mikrocontroller, ADCs); Sensorik (FDSOI),
Piezo-Wandler/Ultraschall-Aktuation; Testing; Smart Objects und Logistik-Anwendungen IIS
Gesamtsystem (Entwurf/Integration), EH (Thermogeneratoren), Aktorik, Smart Energy IZM
Sensorik (Entwicklung/Integration), Wakeup-Generatoren/-Receiver, Logistik & Luftfahrt ENAS
Energy Harvesting (MEMS Vibrations-Harvester) ISIT
Kom petenzen in Zentren und Verbünden zu Autarken Mikros y s tem en
Leistungszentrum Funktionsintegration für die Mikro-/Nanoelektronik (Dresden)
Leistungszentrum Digitale Vernetzung (u.a. FOKUS, IZM) / Transferzentrum 5G Testbed (HHI)
Berlin, 27.9.2018Anbieterübersicht
Kompetenzen in der FMD zu Autarken Mikrosystemen (2/4)
Berlin, 27.9.2018Anbieterübersicht
Kompetenzen in der FMD zu Autarken Mikrosystemen (3/4)
Zentrale übergreifende FMD-Initiativ en zu Autarken Mikros y s tem en
ZEPOWEL: Towards Zero-Power- Electronics US eP: Universelle S ensor Plattform für IoT S dS eMa: S trukturintegrierte,
Ziel: Kleinere Systemanbieter sollen den wachsenden F&E-/Fertigungs- drahtlose S ensorik und Aktorik
USP Aufwand für Elektronik der nächsten Generation schultern können im Maschinenbau
Umfassende Plattformlösung auf Basis eines IoT-Knotens Zielgruppe: Systemintegrationen, KMU und Start-ups
Autonome energieminimierte IoT-Hardware Ziel: Selbstorganisierende
US P
Anw endungen/Dem ons tratoren bedarfsgesteuerte automatisierte
Konfigurierbare Sensor-Plattform basierend auf Fully Depleted SOI- Produktion (Industrie 4.0)
S m art City : Überwachung und Steuerung von Technologie von GF (hochintegrierte stromsparende Chips)
Infrastrukturen Zentrale Steuer-/Recheneinheit mit zahlreichen Schnittstellen und Um s etzung:
(Wasser, Verkehrsströme, Energieversorgung), breite Auswahl aktuell gängiger und zukünftiger Sensoren/Aktoren In-situ-Zustandsüberwachung
z.B. vernetzte Partikelsensorik für die Luftgüteüberwachung
V.a. für IoT-Systeme mit hohem Bedarf an lokaler Verarbeitungs- von Fertigungssystemen, indem
S m art Indus try /Fabrication (Industrieelektronik): Sensoren an s chw er zugäng-
Minimierung von Energieverlusten in Fertigungsmaschinen leistung bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme
lichen S tellen von Werkzeug-
mittels intelligenter IoT-Steuerung, die gleichzeitig wertvolle Modulare Bauweise ermöglicht hohe Funktionsintegration und die
m as chinen funktional direkt
Daten (z.B. für „predictive maintenance“, „automatic process Entwicklung von maßgeschneiderten Sensorknoten
in die jeweiligen Komponenten
control“) bereitstellen und dank vernetzter Leistungs-Sensorik Gliederung der Herstellung in stetige und in flexible Komponenten integriert werden („to be
und -steuerung die Fertigungsqualität erhöhen Anw endungs felder integrated directly into the
Kom petenzen & Rollen der Partner Industrieautomatisierung: Präsenzerkennung durch Bildsensor structures of drive mechanisms
Gesamtsystemspezifikation: IZM (System-on-Chip), Zustandsüberwachung und Prozesssteuerung and tool components”)
IoT-Hardware: IPMS Smart Living: Überwachung vernetzter Gebäude-/Energiesysteme Vibrations-Harvester,
Energie (IPMS): Energy Harvester (ISIT), Energiespeicher (ISIT), (Elektronische Nase), Bild-/Sprachverarbeitung f. int. Haushaltsgeräte RFID-Sensormodul
Drahtlose Energieversorgung/energieeff. Wandler (Fhg EAS) Smart Health: Bild-/Sprachverarbeitung für AAL, Intelligente Prothetik Konzeption, Entwicklung und
Kommunikation (ESK): RF-Frontend (IAF), Wake-Up RX (IIS)
Economy of Things: Security Wallet, Smart Contracts, Digital ID Erprobung eines
Sensorik (EAS) und Aktorik (EMFT) Kugelgew indetriebes
IoT Core (IZM) Kom petenzen & Rollen der Partner
Verifikation (Parameter, Feld): IISB, EMFT Global Foundries (22FDX®-Technologie) Partner: ENAS, IIS-EAS, IPMS, IZM-
VµE (IZM, IIS-EAS): Innovatives Packaging, Konzeptentwicklung, ASSID sowie IKTS, IWU
Verwertung, Projektmanagement/Koordination: IZM, IISB, FMD
Systemdesign, Sensorik, Datenübertragung, Simulation & Test.
Berlin, 27.9.2018Anbieterübersicht
Kompetenzen in der FMD zu Autarken Mikrosystemen (4/4)
FMD-Dem ons tratoren zu Autarken Mikros y s tem en (s . Aus s tellung)
FMD-Dem ons trator Vortrag Innov ation Day FMD-Ins titut
RFID-Drehs cheibe / IPMS
Pick-by -Light-Dem ons trator: Drahtlose Kommunikation
IPMS
RFID-basierter Kommissionierprozess für autarke Mikrosysteme
Funk-S ens ornetzw erk zum Monitoring von
/ IZM
Hoch- und Höchstspannungsleitungen (ASTROSE)
Tem peraturlabel-Dem ons trator:
Zero Power Mikrosysteme EMFT
Foliensystem zur Temperaturmessung
Berlin, 27.9.2018Ausblick
1. Kom plettierung der FMD-Kompetenzen zu Autarken Mikrosystemen
Kompetenzmatrix (s. Abb.)
2. Prioris ierung der Einsatzbereiche Autarker Mikrosystemen aus Sicht der FMD
hohes Synergiepotential
3. Weiterentw icklung der priorisierten Anwendungsthemen
Business Development
Anwendungs- und Kundenworkshops
Technologie-Alignment
4. Roadm apping zu Autarken Mikrosystemen
Zukünftige Anforderungen
Lösungsansätze
Forschungs-Roadmap der FMD
(Invest in Maschinen, Kompetenzaufbau,
Zugang zu Technologien, Kunden, Partnern etc.)
Berlin, 27.9.2018Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
eine Kooperation DES Fraunhofer-VerbundS Mikroelektronik und Leibniz FBH sowie
Leibniz IHP
Allgem eine Präs entation
SESSION 1
Autarke Mikrosysteme
Berlin, 27.9.2018Session 1: Autarke Mikrosysteme
»Zero Pow er Mikros y s tem e«
Frank Vanselow, Fraunhofer EMFT
3
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018AGENDA
Motivation Autarke Mikrosysteme
Herausforderungen und Technologien
Energiespeicher
Harvesting
Power Management
Sensorik, Funkprotokolle
ZePowel
4
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Motivation – Power für autarke Mikrosystem
Sensor(s)
AMP ADC Primary
Battery
Sensor(s)
Load
switch(s)
Microprocessor DC-DC Recharg.
conver
ter(s) Battery
Power Energy
External
Radio Mgmt Harvester
power
( Sub-1 GHz,
BLE or ZigBee) Super Cap supply
Wireless Interface Energy storage
https://smartstructure.weebly.com/jindo-bridge.html
5
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Energiespeicher
Batterietechnologie 2x
Verbesserung alle 10 Jahre
CMOS Technologie 2x
Verbesserung alle 18
Monate
6
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Energiespeicher
Sättigung der Entwicklung
Kritisch für Energy Gap
Multisensoranwendungen
E(normlized)
Leckströme relevant
Jahr
Greg Delagi, Texas Instruments ISSCC 2010
7
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Energiespeicher
• Durchschnittlicher
Leistungsverbrauch
von einigen mW
• Betrieb : einige Tage
• Baugröße vs.
400 mWh/cm3
Energiemenge Oder < 4 uW @ 10
Jahren
Imote2 , Intel Research
Yole : 2018 Solid-state batteries
8
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Photovoltaik
Solarkonstante : 136 mW/cm2
P_real : 8 – 12 mW/cm2
Einsatz im Außenbereich
https://smartstructure.weebly.com/jindo-bridge.html
9
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Photovoltaik
Yole Emerging PV Technologies 2014
- Mono-/Polykristalline
Solarzellen
kostengünstig, sehr
effizient, langlebig
- III/V hohe Kosten,
hohe Energiedichte /
kg
- Zusätzlicher
Energiespeicher
10
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Vibrationsharvester
Elektrostatisch (Triboelektrisch)
Piezoelektrisch Ty p Praktis ches Theoretis ches
Max im um Max im um
Elektromagnetisch
Piezoelektrisch 17.7 mJ/cm3 335 mJ/cm3
Elektrostatisch 4 mJ/cm3 44 mJ/cm3
Elektromagnetisch 4 mJ/cm3 400 mJ/cm3
11
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Harvesting
Pow er S ource P/cm 3 E/cm 3 P/cm 3 /y r S econdar S pannung
(µW/c (J/cm 3 ) (µW/cm 3 / y S torage s regelung
m 3) y r) needed benötigt
Primärbatterie - 2880 90 Nein Nein
Sekundärbatt. - 1080 34 - Nein
Supercap - 50-100 1.6-3.2 Nein Ja
Solar ( outside) 15000* - - Ja Ja
Solar ( inside) 10* - - Ja Ja
Temperatur 40* - - Ja Ja
Vibrations 300 - - Ja Ja
Air flow 380 - - Ja Ja
http://jes.ecsdl.org/content/165/8/B3130/T2.expansion.html
12
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Power Management
Harvester Up-/Down Speicher Up-/Down Last
Solarzelle DC-DC Leistung Aktive Mode
Trenn- Sekundär
stufen batterie
Harvester Mgmt.
Thermopile DC-DC
Super-
visor
Verbrauchern
DC-DC Zeit
Control Adaptive HW und SW
WIFI AC-DC
Techniken:
Lade-
Piezo-Harv. LDO - Dynamically control
AC-DC regler
supply voltage
- Taktfrequenz
Prozessor
Prozessor
13
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Funkprotokolle
Ty pe BLE m it TI CC2640 Ov erhead
Daten vor Ort
speichern, auswerten
Control & synchronization 1900 nJ/bit 70x und in großen
Link Layer
Datenpaketen senden,
Acknoledge receive 1200 nJ/bit 44x wenn Latenzzeit
unkritisch ist
3-channel redundancy 790 nJ/bit 29x
Energie/Bit für
+ packet preamble and TX startup ( 190 nJ/bit 7x schmalbandige
Physical Layer
short packet ) Dienste mit großer
Reichweite noch
+ packet preamble and TX startup ( long 37nJ/bit 1.4x größer
packet )
Over-the-air ( raw ) 27 nJ/bit 1x
14
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Herausforderungen IoT Sensornetzwerk
Leistungsaufnahme Sensorik
Ty p Technol. Leis tungs aufn. tr Volum en
Beschleunigung 1- 10s uW
Integrierte Gas, 1- 10s uW @ 1 8s 9 mm3
Luftfeuchte Temp. Hz
Partikel Optisch 100s mW @ 1Hz < x*10s 20k mm3
Gas MOS < 1s 8 mm2
ChemFET 1-10s of mW‘s ~ mm2
Resonant Few mW‘s Few mm2
Yole Gas Sensor Technology 2016
15
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018ZePowel – Autarkes Sensornetzwerk
ZePowel Smart-City-Demonstrator
Algorithmen für die Minimierung der
RF Sendeleistungen im Multihop
Netzwerk
Reaktionsschnelle Sensorik
Breitbandige Energieharvester mit
speziellen Piezoelektrika
Rekonfigurierbarer IoT Core für
intelligentes Power Management
Kryptografisch abgesicherte Wake-up
Module mit kurzer Reaktionszeit
Geringe Baugröße von einige cm3
16
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Predictive Power Management
Harv. Mgmt.
Solar DC-DC Sekundär
Control batterie
WIFI AC-DC
Lade-
Piezo-Harv. AC-DC regler DC-DC
P_transmit
T, N
Sensorik IoT Core RF
IoT Netzwerk mit Cloud für Leistungsoptimierung und Verbesserung des
QoS nutzen
1. Verkehrs- und Nutzeraufkommen
2. Meteorologische Daten
3. Zustand der IoT Knoten
17
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Zusammenfassung
Leistungsanforderungen für autarke Sensorknoten sind sehr herausfordernd
Applikation definiert die Energiequelle
Holistischer Ansatz zur Optimierung des Leistungsverbrauchs notwendig
Übertragungs- und Messraten den Erfordernissen anpassen
RF-, IoT-core, Sensorik und Power Management haben enormes Potential für Verbesserungen
18
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Ausblick
Aktorik GPS Tastsinn
Mobil Soziale Intelligenz
Magnetfeld
Geruch
Temperatur Optisch
Geschmack
Schwerkraft, Gleichgewicht http://jeb.biologists.org/content/208/6/1161
19
Frank Vanselow | Berlin, 27.9.2018Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
eine Kooperation DES Fraunhofer-VerbundS Mikroelektronik und Leibniz FBH sowie
Leibniz IHP
Allgem eine Präs entation
SESSION 1
Autarke Mikrosysteme
Berlin, 27.9.2018Session 1: Autarke Mikrosysteme
»Drahtlos e Kom m unikation für
autarke Mikros y s tem e«
Dr.-Ing. Frank Deicke, Fraunhofer IPMS
Berlin, 27.9.2018Drahtlose Kommunikation &
Herausforderungen des Anwenders
Berlin, 27.9.2018Einfluss der Umgebung
Berlin, 27.9.2018Anforderung Reichweite
Optimierung von
Trägerfrequenz
Funkprotokoll
RX Sensitivität*
TX Leistung*
Anpassung
Antennengröße
…
* RX = Empfänger (engl. Receiver) – TX = Sender (engl. Transmitter) Berlin, 27.9.2018Netzwerktopologien
Stern-Topologie
Coordinator & Client
Sendeleistung bestimmt Reichweite
Asymmetrischer Energiebedarf
Mesh-Topologie
Jeder kommuniziert mit Jedem
Homogenität
Hybride-Topologie
Multi-Hop-Routing Reichweitensteigerung
Energiebedarf für Empfang und Weiterleitung [Quelle: wikipedia.org]
Berlin, 27.9.2018Energetische Betrachtungen
Sensornahe Verarbeitung vs. Kommunikation
Energie pro
Instruktion [nJ]
Energie pro
gesendetem Bit [nJ]
1 10 100 1000
„Battery Gap“: Energiebedarf wächst stärker als Kapazitätssteigerung der Batterieentwicklung
Energiebedarf für Funkkommunikation ist der entscheidende Faktor für die Batterielaufzeit
Sensornahe Signalverarbeitung!
Berlin, 27.9.2018Beispiel – Feuchtemessung im Wärmedämmverbundsystem
Datenlogger für Feuchtemessung in Wärmedämmverbundsystem (WDVS) integriert
Laufzeit: 5 Jahre
Reichweite: bis 10m Innenraum
Ziel:
kleine flache Bauform
lange Laufzeit
robust
Berlin, 27.9.2018Wake-Up Receiver
Einsatz als Trigger zur Aktivierung
von Sensorik und aktiver Funkkommunikation
bei minimalem Standby-Verbrauch
SRD-/ISM-Frequenzbänder 433 MHz, 868 MHz, 2,4 GHz
Leistungsaufnahme: 2 µW bei 1,6 V
Reaktionszeit: 30 ms (1 kbit/s) Empfindlichkeit: -80 dBm
Nutzen 1 µA mA
WakeUp
Batterielebensdauer erhöhen
Baugröße reduzieren Active
SleepMode
Sensors
Mode &
Transceiver
Berlin, 27.9.2018Beispiel – RFID Pick-By-Light: Sensorik & Aktorik
RFID-Lichtsignale unterstützen
Teileauswahl/Kommissionierung
RFID-Waage erkennt Gewicht des KLT*
Automatisches Auffüllen der KLTs
*KLT = Kleinladungsträger (Euro-Normbehälter), vom VDA standardisierte Transport- und Lagerkiste Berlin, 27.9.2018Beispiel – Temperaturüberwachung im Schaltschrank
Batterie- & drahtlose Messung
Frühzeitige Gefahrendetektion
Optimierte Planung von Serviceintervallen
Berlin, 27.9.2018Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
eine Kooperation DES Fraunhofer-VerbundS Mikroelektronik und Leibniz FBH sowie
Leibniz IHP
Allgem eine Präs entation
FMD INNOVATION DAY 2018
Smart Micro Systems
Berlin, 27.9.2018Sie können auch lesen
