MEMS-basierte parametrische Verstärker für Reichweitenoptimierung drahtloser Sensornetze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Kölpin
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460244878

Die 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Actemium BEA GmbH
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Christine Ruffert