RFID-basierte drahtlose Sensornetzwerke. Überblick über aktuelle Anwendungsgebiete

INHALTSVERZEICHNIS

Einleitung

1 Grundlagen

2 Aktuelle Anwendungsgebiete
2.1 Ladeeinheitensicherung
2.2 Asset tracking in Officeumgebung
2.3 Temperaturüberwachung von Lebensmitteltransporten
2.4 Asset Tracking per Satellit - RFID-Tag mit integriertem GPS-Sensor
2.5 Überwachung von Blutkonserven
2.6 Containerüberwachung per RFID-basierter Sensor-Tags
2.7 Weitere Anwendungsgebiete

LITERATURVERZEICHNIS

Einleitung

Beim Versuch, die reale Welt digital nachzubilden, spielt Radiofrequency Identification (RFID) eine Schlüsselrolle. Winzige digitale Chips kommunizieren über Radiowellen mit nach gelagerten Backendsystemen und erwecken so Realgegenstände zum Leben. Neben RFID hilft auch die Sensorik bei der digitalen Simulation der Realwelt. In so genannten Sensornetzwerken versorgen unterschiedlichste Sensoren Backendsysteme drahtlos mit Umweltinformationen. Diese Arbeit soll beide Technologien zusammenbringen und befasst sich mit dem Einsatz von RFID in drahtlosen Sensornetzwerken. Nach der kurzen Einleitung sollen im anschließenden Grundlagenteil zunächst einige Kernbegriffe erläutert und der Aufbau eines drahtlosen Sensornetzwerkes beschrieben werden. Anschließend widmet sich der Hauptteil den Anwendungsgebieten der beschriebenen Sensornetzwerke. Anhand einiger aktueller Szenarien soll ein Überblick über die derzeitigen Anwendungsgebiete und die aktuelle Situation vermittelt werden. Die Arbeit schließt mit einem kurzen Fazit.

1 Grundlagen

In diesem Kapitel soll zunächst auf den Begriff „drahtloses Sensornetzwerk“ eingegangen und anschließend der Aufbau eines solchen Netzwerks dargestellt werden. Anschließend wird kurz der Aufbau eines klassischen RFID-Systems skizziert.

Gemäß Müller/Thies 2006 versteht man „unter einem drahtlosen Sensornetzwerk (engl. Wireless Sensor Network, WSN) (…) ein mobiles Ad-hoc Netzwerk, dessen Teilnehmer mit Sensoren ausgestattet sind, welche die Ermittlung von Daten aus ihrer direkten Umgebung ermöglichen“ (vgl. Müller/Thies 2006).

Diese Teilnehmer werden in der Literatur als Knoten (nodes) des drahtlosen Netzwerks bezeichnet. Jeder Knoten besteht aus einem Sensor zur Aufnahme der spezifischen Daten, einem Prozessor für die Informationsverarbeitung, einer Kommunikationseinrichtung zum Informationsaustausch und einer Energiequelle. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1/1: Sensoreinheit im drahtlosen Sensornetzwerk

Die Sensoreinheit kann dabei verschiedenste Umweltinformationen sammeln^[1]:

- Feuchtigkeit
- Temperatur
- Bewegung
- Lichtverhältnisse
- Druck
- Bodenbeschaffenheit
- Geräusche
- Mechanische Spannung
- Geschwindigkeit, Richtung, Größe, Präsenz / Abwesenheit von Objekten

Die Energieeinheit sorgt für die Verfügbarkeit der Dienste des Knotens und kann sowohl passiv als auch aktiv realisiert sein.

Die folgende Abbildung zeigt die vom Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) entwickelte Lösung eines drahtlosen Sensornetzwerkes (vgl. im Folgenden Fraunhofer Institut 2007, S. 1f):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1/2: Drahtloses Sensornetzwerk des Fraunhofer Instituts

Alle Knoten des Netzwerks senden ihre Informationen an eine Basisstation. Diese kann zur weiteren Verarbeitung und Distribution der Daten über einen Uplink zu einem angeschlossenen LAN oder WAN verfügen. Das Multihop-Netzwerk-Protokoll übernimmt das Routing innerhalb des Netzwerks und sorgt dafür, dass die Knoten in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren. Jeder Knoten des Sensornetzwerks kann entweder selbst Datenquelle sein oder als Vermittler fungieren. Liegt die Basisstation außerhalb des Sendebereichs eines Knotens, so kann dieser keine direkte Verbindung zu ihr aufnehmen. In diesem Fall stellt das Multihop-Protokoll sicher, dass die Informationen des Quellknotens über zwischen gelagerte Knoten (Intermediate Nodes) ans Ziel gelangen. Auf diese Weise ist es für jeden Knoten möglich, seine Informationen über seinen eigenen Sendebereich hinaus an die Basisstation zu senden.

Der große Vorteil drahtloser Sensornetzwerke liegt in der Autonomie der einzelnen Knoten und Netzwerkfähigkeit der Sensoreinheiten. Mithilfe des Multihop-Protokolls sind die Sensoren in der Lage, durch Kooperation Synergieeffekte zu erzielen und dezentralisiert zu arbeiten (vgl. Strassner/Schoch 2007, S. 6 und BMWI 2007, S. 7f).

Als Kommunikations- und Verarbeitungseinheit sollen in dieser Arbeit ausschließlich RFID-Chips betrachtet werden. Der Aufbau und die Funktionsweise eines klassischen RFID-Systems soll hier nur kurz skizziert werden (vgl. im Folgenden Strassner/Schoch 2007, S. 4):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1/3: Funktionsweise eines RFID-Systems

Der RFID-Chip ist mit einem Objekt aus der Realwelt physisch verbunden. Das RFID-Lesegerät nimmt über ein Radiofrequenzsignal Kontakt zum dem RFID-Chip auf. Dieser antwortet ebenfalls mit einem Radiofrequenzsignal. Über die Antenne nimmt das Lesegerät die Antwortdaten auf und leitet sie an die angeschlossenen Backendsysteme weiter.

2 Aktuelle Anwendungsgebiete

„Actuators can send and receive real-time data from the sensors – sometimes thousands of them – to learn about remote conditions and locations. And when sensors and actuators are mixed with RFID, well, then some pretty gee-whiz applications are created” (Kelly Sims, speaking for the IBM Software Group^[2] ).

2.1 Ladeeinheitensicherung

Mithilfe von RFID und Sensornetzwerken lässt sich eine effektive Ladeeinheitensicherung erreichen (vgl. im Folgenden Gehrmann 2007, S. 11). Bei Transportvorgängen mit großen Stückzahlen werden die Objekte gewöhnlich zu Ladeeinheiten zusammengefasst. Sind sie mit RFID-Tags bestückt, so lässt sich mit einem RFID-Lesegerät ihre Anwesenheit feststellen. In diesem Einsatzbereich kommen üblicherweise passive RFID-Tags mit sehr geringer Reichweite zum Einsatz. So kann es sein, dass ein RFID-Lesegerät die Präsens eines Objekts in der Ladeeinheit nicht feststellen kann, da dieses außerhalb seiner Reichweite liegt oder das schwache Antwortsignal des Objekts nicht bis zum Lesegerät zurückreicht. Mithilfe von drahtlosen Sensornetzwerken lassen sich die Objekte zu einer Einheit zusammenfassen und untereinander interagieren.

Fragt ein Lesegerät die Anwesenheit eines Objektes außerhalb seiner Reichweite ab, so wird die Anfrage von Objekt zu Objekt durchgereicht bis sie das entsprechende Objekt erreicht. Auf diese Weise lässt sich das Problem der Ortsgebundenheit von RFID-Systemen abschwächen. Außerdem kann die Manipulation oder das Entfernen eines Objekts direkt in der Ladeeinheit detektiert und zeitnah gemeldet werden.

2.2 Asset tracking in Officeumgebung

McKevin, Williams und Berry stellen in ihrer Arbeit ein RFID-basiertes drahtloses Sensornetzwerk zum asset tracking in einer umfangreichen Officeumgebung vor. Ziel des Systems ist es, einen Gegenstand oder eine Person in der gesamten Umgebung verfolgen und zuverlässig lokalisieren zu können (vgl. im Folgenden McKelvin/Williams/Berry 2007). Denkbare Anwendungen wären zum einen das exakte Tracking von Wertgegenständen in einem begrenzten Bereich, zum anderen auch die Auffinden von alten Menschen in Altersheimen. Zu diesem Zweck kombinierten die Autoren ein RFID-System mit einem drahtlosen Sensornetzwerk. Die eingesetzten RFID-Reader wurden mit Sensoreinheiten ausgestattet und in großer Dichte über die Officeumgebung verteilt. Durch die Vernetzung der Sensoren sollte eine flächendeckende RFID-Infrastruktur geschaffen werden. Auf der folgenden Skizze stellen die Autoren ihre Systemarchitektur grafisch dar (vgl. McKelvin/Williams/Berry 2007, S. 46):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2/1: Systemskizze des vorgestellten RFID-Sensornetzwerkes

[...]

^[1] vgl. Strassner/Schoch 2007, S.6

^[2] vlg. Burger 2007