Fraunhofer-Leitprojekt ZEPOWEL

Das Internet der Dinge (Internet of Things, kurz IoT) wächst stetig. Eine gewaltige Zahl von vernetzten Knoten, die Daten sammeln, auswerten und in einem Netzwerk zusammenführen, ist deshalb schon heute notwendig. Das Problem: Der Energieverbrauch der Netzwerke wächst stetig. Bisher haben Industrie und Forschung dazu keine nachhaltige Lösung. Für jede Anwendung wird eine einzelne IoT-Hardware entwickelt, die dann mehr oder weniger energieeffizient ist. Die Fraunhofer-Gesellschaft will das ändern: In ihrem Leitprojekt »Towards Zero Power Electronics« (ZEPOWEL) soll eine Hardware-Lösung entwickelt werden, die einerseits ganzheitlich und andererseits extrem energieeffizient ist. In einem nächsten Schritt könnten vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten.

 

Lösungsansatz

Fraunhofer setzt dabei an zwei Hebeln an. Zum einen soll die Hardware selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Netzwerkebene realisiert. Dafür entstehen im Rahmen des Leitprojekts neue Technologien, zum Beispiel ein Ultra-Low-Power Wake-Up-RF-Sensorknoten, der dafür sorgt, dass nicht permanent Daten gesendet werden müssen. Der ASIC wird erst bei einem bestimmten Schwellenwert oder durch eine Anfrage von außen »geweckt«. Unterstützt wird das System durch den Einsatz von Energy Harvesting, um eine frei wählbare Positionierung des Knotens zu ermöglichen.

Der Institutsteil EAS entwickelt im Rahmen des Projektes ein Sensor-Analog-Frontend, mit dem Umweltgrößen erfasst werden können. Es wird in einem Projekt-Demonstrator aus dem Anwendungsbereich »Smart City« eingesetzt werden, um damit die urbane Luftqualität anhand verschiedener Kenngrößen zu untersuchen. Der Frontend-ASIC wird dabei nicht nur multiphysikalische Sensorsignale verarbeiten können, sondern darüber hinaus auch sehr energiesparend und flexibel nachnutzbar sein. Letzteres wird vor allem möglich, da für die Entwicklung des ASICs das am EAS entwickelte »Intelligent IP« genutzt wird. Damit wird ein einfaches Nachnutzen der Entwurfsdaten auch für den Analoganteil des ASICs möglich.

Neben dem Sensor-Frontend entwickelt das EAS im Rahmen des Projektes ein Leiterplattenmodul für die Spannungsversorgung mit einem modularen Energieversorgungskonzept. Damit wird die Energiegewinnung für mobile und statische Sensorknoten aus der Umwelt abgesichert, zum Beispiel über Solarenergie. Geringe Ruheströme führen dabei zu einer hohen Nutzenergie und die Knoten werden unabhängig vom Energieeintrag durch mechanische Harvester oder Wi-Fi.