DE102012204173A1

DE102012204173A1 - Method for transmission of measured and forecast values from sensor node to data sink, involves transmitting measured value and forecast values to data sink for duration of no further specific measurement values from sensor node

Info

Publication number: DE102012204173A1
Application number: DE201210204173
Authority: DE
Inventors: Rudolf Sollacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19

Abstract

The method involves determining a measured value, and determining a corresponding number of forecast values for a predetermined time interval by linear or non-linear regression. The measured value and the forecast values are transmitted to a data sink, where the measured value and the forecast values are transmitted at the time interval for duration of no further specific measurement values from a sensor node, and the forecast values do not differ more than a predetermined threshold value from each other. An independent claim is also included for a sensor node.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein System zur Übermittlung von Messwerten und Prognosewerten von einem Sensorknoten an eine Datensenke. The invention relates to a method and a device as well as a system for transmitting measured values and prognosis values from a sensor node to a data sink.

In großen, drahtlosen, vermaschten Sensornetzen zur Messung und/oder Überwachung des Energieverbrauchs ist eine lange Batterielebensdauer der Sensoren (auch bezeichnet als Sensorknoten) von z.B. mehr als 10 Jahren erstrebenswert, um die benötigte Akzeptanz beim Benutzer zu erreichen. Bei dem Sensor handelt es sich z.B. um eine Einheit, die mindestens einen Messwert aufnimmt und diesen über eine geeignete Schnittstelle, z.B. an ein Management-System, weiterleitet. In large, wireless, meshed sensor networks for measuring and / or monitoring energy consumption, long battery life of the sensors (also referred to as sensor nodes) of e.g. more than 10 years worthy to achieve the required acceptance by the user. The sensor is e.g. a unit that receives at least one reading and transmits it via a suitable interface, e.g. to a management system, forwards.

Werden nur selten (z.B. wenige Male pro Tag) Messwerte (z.B. Abrechnungsdaten) übertragen, kann eine lange Einsatzdauer des Sensors bereits heute sichergestellt werden. Durch Anforderungen, in wesentlich kürzeren zeitlichen Abständen Messwerte zu erfassen und zu übertragen (z.B. für Energiemanagementzwecke), erhöht sich der Energieverbrauch des Sensors deutlich, was zu einer stark reduzierten Einsatzdauer führt. If measured values (for example accounting data) are transmitted only rarely (for example a few times a day), a long service life of the sensor can already be ensured today. Demands to acquire and transmit readings at substantially shorter time intervals (e.g., for energy management purposes) significantly increase the energy consumption of the sensor, resulting in greatly reduced service life.

Eine Möglichkeit, dem gesteigerten Energieverbrauch des Sensors zu entsprechen, besteht darin, einen größeren Energiespeicher (z.B. eine größere Batterie) vorzusehen bzw. den Sensor mit dem Stromnetz zu verbinden (und entsprechende Elektronik vorzusehen, die eine Adaption auf die Betriebsspannung vornimmt). Diese Lösungen sind jedoch aufwändig und teuer, oft auch wartungsintensiv und schränken die Einsatzmöglichkeiten von ansonsten weitgehend autarken Sensoren deutlich ein. One way to meet the increased power consumption of the sensor is to provide a larger energy store (e.g., a larger battery) or to connect the sensor to the power grid (and provide appropriate electronics that adapt to the operating voltage). However, these solutions are complex and expensive, often also maintenance-intensive and restrict the applications of otherwise largely self-sufficient sensors clearly.

Insbesondere kann es sich bei dem Sensor um einen Funksensor handeln, der die Messwerte über eine Funkschnittstelle überträgt. Hierbei entsteht ein hoher Energieverbrauch, wenn der Funksensor sich in einem Empfangs- oder Sendemodus befindet. Durch die Verwendung solcher flexibel platzierbarer Funksensoren verschärft sich demnach die Problematik der reduzierten Haltbarkeit bei der Verwendung bisheriger Batterien bei gleichzeitig häufigen Messwertübertragungen. In particular, the sensor may be a radio sensor which transmits the measured values via a radio interface. This results in a high energy consumption when the radio sensor is in a receive or transmit mode. The use of such flexibly placeable radio sensors thus exacerbates the problem of reduced durability when using previous batteries with simultaneous measured value transfers.

In den bekannten Verfahren werden von Sensoren (Sensorknoten) und der Datensenke gleiche Prognosemodelle verwendet: Die Datensenke benutzt die Prognosewerte so lange, bis sie neue Daten von den Sensoren empfängt. Der Sensor verschickt neue Daten dann, wenn die Prognose stark von einem aktuellen Messwert abweicht. Dies reduziert den Datenverkehr im Netzwerk, was sich vor allem in vermaschten Sensornetzen positiv auswirkt. In the known methods, the same predictive models are used by sensors (sensor nodes) and the data sink: The data sink uses the prognosis values until it receives new data from the sensors. The sensor sends new data if the prognosis deviates strongly from a current measured value. This reduces the traffic in the network, which has a positive effect especially in meshed sensor networks.

Hierbei ist es von Nachteil, dass die Datensenke für alle Sensorknoten in dem Netzwerk ein Prognosemodell auswerten und deshalb für große Sensornetze eine entsprechend hohe Rechenkapazität bereitstellen muss. It is disadvantageous here that the data sink evaluates a prognosis model for all sensor nodes in the network and therefore has to provide a correspondingly high computing capacity for large sensor networks.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Lösung zum Einsatz von Sensoren in einem Netzwerk zu schaffen. The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned above and in particular to provide an efficient solution for the use of sensors in a network.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Übermittlung von Messwerten und Prognosewerten eines Sensorknotens vorgeschlagen,

– bei dem ein erster Messwert bestimmt wird,
– bei dem für ein vorgegebenes Zeitintervall eine diesem Zeitintervall entsprechende Anzahl Prognosewerte bestimmt wird,
– bei dem der erste Messwert und die Prognosewerte zu bzw. in Richtung einer Datensenke übertragen werden,
– bei dem für die Dauer des Zeitintervalls keine weiteren von dem Sensorknoten bestimmten Messwerte übertragen werden, falls die weiteren Messwerte nicht um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert von den Prognosewerten abweichen.

To solve the problem, a method for transmitting measured values and forecast values of a sensor node is proposed,

In which a first measured value is determined,
In which, for a given time interval, a number of forecast values corresponding to this time interval is determined,
In which the first measured value and the forecast values are transmitted to or in the direction of a data sink,
In which no further measured values determined by the sensor node are transmitted for the duration of the time interval if the further measured values do not deviate from the prognosis values by more than a predetermined threshold value.

Hierbei ist es von Vorteil, dass die Übertragungsphasen effizient reduziert werden können und so deutlich Energie, z.B. in dem Sensorknoten, eingespart wird. Anstatt zu jedem Zeitschritt Messwerte zu übertragen, werden nur alle n Zeitschritte Messwerte übertragen, solange der aktuell pro Zeitschritt von dem Sensorknoten bestimmte Messwert um nicht mehr als den vorgegebenen Schwellwert von dem für den Zeitschritt vorherbestimmten Prognosewert abweicht. Mit dem ersten Messwert werden die Prognosewerte für das Zeitintervall übertragen; die Datensenke geht davon aus, dass die Prognosewerte eine ausreichende Güte (d.h. Übereinstimmung mit den Messwerten) aufweisen solange sie z.B. keine weiteren Messwerte (und ggf. Prognosewerte) von dem Sensorknoten erhält. In this case, it is advantageous that the transmission phases can be reduced efficiently, thus significantly saving energy, for example in the sensor node. Instead of transmitting measured values at every time step, measured values are only transmitted every n time steps as long as the measured value currently determined by the sensor node per time step does not deviate from the predicted prognosis value predetermined by the time step by more than the predetermined threshold value. The first measured value becomes the forecast values for the time interval transfer; the data sink assumes that the prognosis values have a sufficient quality (ie agreement with the measured values) as long as, for example, it does not receive any further measured values (and possibly prognosis values) from the sensor node.

Das Zeitintervall bzw. die Anzahl der Prognosewerte kann abhängig von dem jeweiligen Einsatzgebiet und der Variation der Messwerte flexibel (ggf. auch dynamisch) z.B. von dem Sensorknoten bestimmt werden. The time interval or the number of prognosis values may be flexible (possibly also dynamic), depending on the particular field of use and the variation of the measured values. be determined by the sensor node.

Dieser Ansatz ist vor allem dann von Vorteil, wenn für das Zeitintervall eine hinreichend gute Prognose möglich ist und/oder wenn ein gewisser (geringer) Prognosefehler akzeptabel ist. Dies ist z.B. bei Überwachungsanwendungen der Fall. This approach is particularly advantageous if a sufficiently good prognosis is possible for the time interval and / or if a certain (low) forecast error is acceptable. This is e.g. for monitoring applications.

Der Sensorknoten bzw. Sensor beschreibt insbesondere einen Knoten eines Netzwerks, der zumindest zeitweise in einer Kommunikationsverbindung mit der Datensenke steht. Dabei kann der Sensorknoten vorübergehend auch inaktiv bzw. in einem Niederenergiezustand (Schlafmodus) sein, wobei während dieses Zustands nicht notwendigerweise die Kommunikationsverbindung mit der Datensenke (und/oder dem Netzwerk) besteht. In particular, the sensor node or sensor describes a node of a network which is at least temporarily in communication with the data sink. In this case, the sensor node may temporarily also be inactive or in a low-energy state (sleep mode), whereby during this state the communication link with the data sink (and / or the network) does not necessarily exist.

Hierbei sei angemerkt, dass die Formulierung "um (nicht) mehr als einen vorgegebenen Schwellwert abweichen" auch den Fall umfassen kann, dass der vorgegebene Schwellwert gerade erreicht ist. Mit anderen Worten liegt die Abweichung innerhalb (oder außerhalb) eines vorgegebenen Bereichs, wobei die Bereichsgrenzen je nach Implementierung dem Bereich zugeordnet sein können. It should be noted here that the wording "deviate by (not) more than a predetermined threshold value" may also include the case that the predetermined threshold value has just been reached. In other words, the deviation is within (or outside) a given range, with the range limits depending on the implementation associated with the range.

Eine Weiterbildung ist, dass

(a) das Zeitintervall mehrere Zeitschritte umfasst und pro Zeitschritt ein Prognosewert bestimmt wird,
(b) pro Zeitschritt ein nächster Messwert bestimmt wird,
(c) der nächste Messwert mit dem zu dem Zeitschritt gehörigen Prognosewert verglichen wird,
(d) der nächste Messwert in Richtung der Datensenke übertragen wird, falls der nächste Messwert und der zugehörige Prognosewert um mehr als den vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen.

One training is that

(a) the time interval comprises a plurality of time steps and a prognosis value is determined per time step,
(b) a next measured value is determined per time step,
(c) the next measured value is compared with the forecast value associated with the time step,
(D) the next measured value is transmitted in the direction of the data sink, if the next measured value and the associated forecast value differ by more than the predetermined threshold value.

Optional können in dem Schritt (d) der nächste Messwert und n Prognosewerte in Richtung der Datensenke übertragen werden. Optionally, in step (d), the next measured value and n forecast values can be transmitted in the direction of the data sink.

Eine nächste Weiterbildung ist es, dass das Verfahren erneut durchgeführt wird, falls die Bedingung in dem Schritt (d) nicht erfüllt ist. So kann das Verfahren z.B. in einer Schleife wiederholt ausgeführt werden. A next development is that the procedure is carried out again if the condition in the step (d) is not met. Thus, the method may e.g. be executed repeatedly in a loop.

Somit lagen in diesem Fall die Abweichungen zwischen den von dem Sensorknoten während des Zeitintervalls ermittelten Messwerten und den zuvor bestimmten Prognosewerten innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs und eine Übermittlung eines (korrigierenden) Messwerts an die Datensenke während des Zeitintervalls war nicht notwendig. Nach Ablauf des Zeitintervalls wird erneut ein aktueller Messwert mit Prognosewerten an die Datensenke übermittelt. Thus, in this case, the deviations between the measured values determined by the sensor node during the time interval and the previously determined prognosis values were within the predetermined tolerance range and a transmission of a (corrective) measured value to the data sink during the time interval was not necessary. After expiry of the time interval, a current measured value with prognosis values is again transmitted to the data sink.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Prognosewerte mittels einer linearen oder nichtlinearen Regression bestimmt werden. In particular, it is a development that the prognosis values are determined by means of a linear or nonlinear regression.

Beispiel für ein lineares Modell ist ein Kalman-Filter und ein Beispiel für ein nichtlineares Modell ist ein künstliches neuronales Netz. Letzteres kann offline trainiert werden und bestimmt aus aktuellen und vergangenen Messwerten die Prognosewerte. Das Modell könnte auch online trainiert werden, was aber wegen des erforderlichen Rechenaufwands insbesondere nur für kleine neuronale Netze vorteilhaft ist. An example of a linear model is a Kalman filter and an example of a nonlinear model is an artificial neural network. The latter can be trained offline and determines the forecast values from current and past measured values. The model could also be trained online, but this is particularly advantageous for small neural networks because of the required computational effort.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Prognosewerte mittels vergangener Messwerte bestimmt werden. It is also a development that the prognosis values are determined by means of past measured values.

Beispielsweise kann der Sensorknoten vergangene Messwerte sammeln und für ein Prognosemodell auswerten, d.h. basierend auf bereits durchgeführten Messungen die Prognosewerte ermitteln. Dabei können vergangene Messwerte, z.B. abhängig von deren Aktualität, unterschiedlich gewichtet werden. For example, the sensor node may collect past measurements and evaluate them for a forecast model, i. determine the forecast values based on measurements already taken. In doing so, past measured values, e.g. depending on their relevance, be weighted differently.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der Sensorknoten die Messwerte und die Prognosewerte über eine Funkschnittstelle überträgt. Furthermore, it is a development that the sensor node transmits the measured values and the forecast values via a radio interface.

Beispielsweise kann der Sensorknoten zumindest teilweise auch über eine Leitung mit dem Netzwerk und insbesondere der Datensenke verbunden sein. Die Funkschnittstelle kann z.B. eine WLAN-, Bluetooth- oder Mobilfunkschnittstelle sein oder umfassen. For example, the sensor node may be at least partially connected via a line to the network and in particular the data sink. The radio interface can be or include a WLAN, Bluetooth or mobile radio interface, for example.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst der Sensorknoten mindestens eine Einheit zur Bestimmung des Messwerts, eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Prognosewerte und eine Übertragungseinheit, wobei die Übertragungseinheit einen Transceiver oder einen Sender aufweisen kann. In the context of an additional development, the sensor node comprises at least one unit for determining the measured value, a processing unit for determining the prognosis values, and a transmission unit, wherein the transmission unit may comprise a transceiver or a transmitter.

Optional weist der Sensorknoten einen Energiespeicher auf, z.B. eine (aufladbare oder nicht-aufladbare) Batterie. Optionally, the sensor node has an energy storage, e.g. a (rechargeable or non-rechargeable) battery.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Übertragungseinheit nur dann aktiviert wird, wenn ein Messwert und/oder ein Prognosewert in Richtung der Datensenke übertragen werden soll und bei dem die Übertragungseinheit ansonsten in einem Niederenergiemodus betrieben wird. A next development consists in that the transmission unit is activated only when a measured value and / or a prognosis value is to be transmitted in the direction of the data sink and in which the transmission unit is otherwise operated in a low-energy mode.

Eine Ausgestaltung ist es, dass die Einheit zur Bestimmung des Messwerts mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

– eine Einheit zur Messung einer Temperatur,
– eine Einheit zur Messung eines Stromverbrauchs,
– eine Einheit zur Messung einer Feuchtigkeit,
– eine Einheit zur Durchflussmessung, insbesondere ein Wasserzähler, Gaszähler,
– ein Heizkostenverteiler.

An embodiment is that the unit for determining the measured value comprises at least one of the following components:

A unit for measuring a temperature,
- a unit for measuring electricity consumption,
A unit for measuring a humidity,
A unit for flow measurement, in particular a water meter, gas meter,
- a heat cost allocator.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Datensenke eine zentrale oder eine verteilte Komponente eines Netzwerks ist und basierend auf den Prognosewerten des Sensorknotens Prognosewerte für ein System umfassend weitere Sensorknoten bestimmt. An alternative embodiment is that the data sink is a central or a distributed component of a network and, based on the forecast values of the sensor node, determines prognosis values for a system comprising further sensor nodes.

Hierbei ist es von Vorteil, dass ein Teil eines Prognosemodells für das System in dem Sensorknoten ausgelagert werden kann und die Datensenke diesen Teil des Prognosemodells nicht unbedingt auswerten muss. Dies reduziert die bei der Datensenke benötigten Rechenressourcen. In this case, it is advantageous that a part of a prognosis model for the system can be swapped out in the sensor node and the data sink does not necessarily have to evaluate this part of the prognosis model. This reduces the computational resources required by the data sink.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass der erste Messwert und die Prognosewerte in einem Datenpaket übertragen werden. A next embodiment is that the first measured value and the forecast values are transmitted in a data packet.

Durch die Übertragung von Messwert(en) und Prognosewerten in einem gemeinsamen Datenpaket lässt sich insgesamt für die Übertragung der notwendige Overhead an Daten (auch bezeichnet als Paket-Overhead, also Daten, die mit dem Paket übertragen werden, aber selbst weder Messwert oder Prognosewert sind) deutlich reduzieren. Dies verbessert zusätzlich die Energiebilanz. Due to the transmission of measured value (s) and forecast values in a common data packet, the necessary overhead for data transmission (also referred to as packet overhead, ie data that is transmitted with the packet) can not be measured or predicted ) reduce significantly. This additionally improves the energy balance.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Sensorknoten und die Datensenke Teil eines Netzwerkes mit TDMA-Medienzugriff (TDMA: Time Division Multiple Access) oder LPL-Medienzugriff (LPL: Low Power Listening) sind. It is also an embodiment that the sensor node and the data sink are part of a network with TDMA media access (TDMA: Time Division Multiple Access) or LPL media access (LPL: Low Power Listening).

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass eine Kommunikation zwischen dem Sensorknoten und der Datensenke unidirektional oder bidirektional durchgeführt wird. An additional embodiment is that a communication between the sensor node and the data sink is unidirectional or bidirectional.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Sensorknoten

– mit mindestens einer Einheit zur Bestimmung eines ersten Messwerts,
– mit einer Verarbeitungseinheit und
– mit einer Übertragungseinheit, wobei die Übertragungseinheit insbesondere einen Transceiver oder einen Sender aufweist,
– wobei die Verarbeitungseinheit derart eingerichtet ist, dass
– für ein vorgegebenes Zeitintervall eine diesem Zeitintervall entsprechende Anzahl an Prognosewerten bestimmt wird,
– der erste Messwert und die Prognosewerte mittels der Übertragungseinheit zu einer Datensenke übertragen werden,
– für die Dauer des Zeitintervalls keine weiteren von dem Sensorknoten bestimmten Messwerte übertragen werden, falls die weiteren Messwerte nicht um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert von den Prognosewerten abweichen.

The above object is also achieved by a sensor node

With at least one unit for determining a first measured value,
- with a processing unit and
With a transmission unit, wherein the transmission unit has in particular a transceiver or a transmitter,
- wherein the processing unit is arranged such that
A number of forecast values corresponding to this time interval is determined for a given time interval,
The first measured value and the forecast values are transmitted by means of the transmission unit to a data sink,
No further measured values determined by the sensor node are transmitted for the duration of the time interval if the further measured values do not deviate from the prognosis values by more than a predetermined threshold value.

Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst anhand eines Systems zur Übermittlung und Erfassung von Messwerten und Prognosewerten umfassend mindestens einen der hier beschriebenen Sensorknoten sowie eine Datensenke. The above object is also achieved by means of a system for transmitting and recording measured values and forecast values comprising at least one of the sensor nodes described here and a data sink.

Die weiteren vorstehend gemachten Ausführungen betreffend das Verfahren gelten entsprechend auch für den vorstehenden Sensorknoten sowie das System. The other statements made above concerning the method also apply correspondingly to the above sensor node and the system.

Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen. The solution presented here further comprises a computer program product which can be loaded directly into a memory of a digital computer, comprising program code parts which are suitable for performing steps of the method described here.

Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt. Furthermore, the above problem is solved by means of a computer-readable storage medium, e.g. any memory comprising computer-executable instructions (e.g., in the form of program code) adapted for the computer to perform steps of the method described herein.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of exemplary embodiments which will be described in detail in conjunction with the drawings. For the sake of clarity, identical or identically acting elements may be provided with the same reference numerals.

Es zeigen: Show it:

1 eine beispielhafte Anordnung von Komponenten eines AMR-Systems; 1 an exemplary arrangement of components of an AMR system;

2 ein sogenanntes ZESAN-Netzwerk, das in Verbindung mit Anwendungen zur Erfassung von Sensordaten eingesetzt werden kann; 2 a so-called ZESAN network, which can be used in conjunction with sensor data acquisition applications;

3 beispielhaft ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Übermittlung von Messwerten und Prognosewerten von einem Sensorknoten zu einer Datensenke; 3 a flowchart with steps of a method for the transmission of measured values and prognosis values from a sensor node to a data sink;

4 beispielhaft eine schematische Anordnung mit einem Sensorknoten umfassend eine Einheit zur Bestimmung von Messwerten, einer Übertragungseinheit und einer Verarbeitungseinheit, wobei der Sensorknoten über ein Netzwerk mit einer Datensenke verbunden ist. 4 For example, a schematic arrangement with a sensor node comprising a unit for determining measured values, a transmission unit and a processing unit, wherein the sensor node is connected via a network with a data sink.

In dem vorliegenden Ansatz wird vorgeschlagen, dass ein Sensorknoten einen aktuellen Messwert und mindestens einen Prognosewert betreffend den prognostizierten Verlauf der Messwerte an eine Datensenke (einen Empfänger) übermittelt. Der Sensorknoten und die Datensenke können logisch oder real Teil eines Netzwerks sein. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Sensorknoten vorgesehen sein, die zumindest vorübergehend (oder andauernd) eine Kommunikationsverbindung mit der Datensenke aufweisen. In dem Netzwerk kann eine zentrale Datensenke vorgesehen sein; alternativ können mehrere Datensenken vorgesehen und/oder die Datensenke kann auf mehreren physikalischen Einheiten verteilt realisiert sein. In the present approach, it is proposed that a sensor node transmit a current measured value and at least one prognosis value relating to the predicted course of the measured values to a data sink (a receiver). The sensor node and the data sink can logically or actually be part of a network. For example, a plurality of sensor nodes may be provided, which at least temporarily (or permanently) have a communication connection with the data sink. A central data sink can be provided in the network; Alternatively, multiple data sinks can be provided and / or the data sink can be implemented distributed over several physical units.

Der Sensorknoten oder Sensor umfasst vorzugsweise eine Einheit zur Bestimmung mindestens eines Messwerts, eine Verarbeitungseinheit und eine Übertragungseinheit. Bei der Übertragungseinheit kann es sich um einen Transceiver handeln, der Daten zu der Datensenke überträgt und/oder Daten von der Datensenke empfängt. Die Übertragung kann auch indirekt erfolgen, indem mehrere Sensorknoten die Datenpakete an die Datensenke weiterleiten. Optional kann der Sensorknoten statt des Transceivers einen Sender aufweisen, um unidirektional Daten an die Datensenke zu übertragen. The sensor node or sensor preferably comprises a unit for determining at least one measured value, a processing unit and a transmission unit. The transmission unit may be a transceiver that transmits data to the data sink and / or receives data from the data sink. The transmission can also take place indirectly in that several sensor nodes forward the data packets to the data sink. Optionally, instead of the transceiver, the sensor node may have a transmitter for unidirectionally transmitting data to the data sink.

Die Datensenke nutzt die von dem Sensorknoten erhaltenen Daten (Messwert, Prognosewert(e)) so lange, bis sie neue (aktualisierte) Daten von dem Sensorknoten erhält. The data sink uses the data obtained from the sensor node (measured value, forecast value (s)) until it receives new (updated) data from the sensor node.

Der Sensorknoten verschickt diese neuen (aktualisierten) Daten, wenn die Abweichung der tatsächlich gemessenen Daten von dem mindestens einen Prognosewert größer als ein vorbestimmter Wert ist (bzw. eine maximal zulässige Abweichung überschritten wird/wurde). The sensor node sends this new (updated) data if the deviation of the actually measured data from the at least one forecast value is greater than a predetermined value (or a maximum allowable deviation is exceeded).

Zur Bestimmung der Prognosewerte können bekannte Verfahren, z.B. Verfahren zur linearen und nichtlinearen Regression eingesetzt werden. Die von dem Sensorknoten bestimmten Prognosewerte können insbesondere vergangene Messwerte des Sensorknotens berücksichtigen. To determine the prognosis values, known methods, eg methods for linear and non-linear regression, can be used. The prognosis values determined by the sensor node can in particular take into account past measured values of the sensor node.

Somit wird vorteilhaft ausgenutzt, dass es energetisch günstiger ist, eine Übertragung mehrerer Daten auf einmal (z.B. in einem Paket) anstatt mehrere separate Übertragungen durchzuführen, da pro Übertragung der Transceiver oder Sender aktiviert (hochgefahren) werden muss. Insbesondere ist es von Vorteil, mehrere Daten zusammen in einem Paket zu übertragen, so dass der Paket-Overhead für die Übertragung minimiert wird; dadurch verkürzt sich die Zeit, während der der Sender oder Transceiver aktiviert sein muss. Weiterhin ist es von Vorteil, die mehreren Daten in einem gemeinsamen Paket zu verschicken, weil auch ein in einem Niederenergiestatus betriebener Empfänger für jedes Paket erneut aktiviert wird, ehe er die Daten empfangen kann. Thus, it is advantageously exploited that it is more energetically favorable to perform a transmission of multiple data at once (e.g., in a packet) rather than multiple separate transmissions because the transceiver or transmitter must be activated (powered up) per transmission. In particular, it is advantageous to transmit multiple data together in a packet so that the packet overhead for transmission is minimized; This shortens the time during which the transmitter or transceiver must be activated. Furthermore, it is advantageous to send the multiple data in a common packet, because even a receiver operated in a low-power state is reactivated for each packet before it can receive the data.

Ein Energiekostenverteilungsprozess basiert beispielsweise auf Messwerten (Sensordaten), wobei die Messwerte von unterschiedlichen Sensoren auf verschiedene Arten bereitgestellt werden können. So können die Messwerte z.B. manuell abgefragt werden, was im Einzelfall aufwändig und kostspielig sein kann. Alternativ dazu können die Messwerte zumindest teilweise automatisiert bestimmt und übermittelt werden, wobei die Sensoren hierfür vorzugsweise Funkschnittstellen aufweisen, anhand derer eine Übertragung der bestimmten Messwerte möglich ist. Auch können die Messwerte auf eine halbautomatisierte Weise "eingesammelt" werden, indem ein hierfür speziell vorgesehenes Gerät an den Sensoren vorbei oder entlang einer Route bewegt wird. An energy cost distribution process is based, for example, on measured values (sensor data), wherein the measured values of different sensors can be provided in different ways. Thus, the measured values can be e.g. be queried manually, which can be complex and costly in individual cases. Alternatively, the measured values can be determined and transmitted at least partially automatically, the sensors preferably having radio interfaces, by means of which transmission of the determined measured values is possible. Also, the measurements may be "collected" in a semi-automated manner by moving a dedicated device past the sensors or along a route.

Der automatisierte Ansatz zum Ablesen der Sensordaten (auch bezeichnet als AMR-Ansatz; AMR: Automated Meter Reading) kann vorzugsweise über leitungsgebundene Netze erfolgen, die zur Anbindung der Sensoren, z.B. mit einem Server, dienen. Der AMR-Ansatz ist auch im Hinblick auf die Direktive 2006/32/EC des Europäischen Parlaments und die darin adressierten Anforderungen von Vorteil. The automated approach to reading the sensor data (also referred to as AMR approach: AMR Automated Meter Reading) can preferably be done via wired networks, which serve to connect the sensors, eg with a server. The AMR approach is also in view of the Directive 2006/32 / EC of the European Parliament and the requirements addressed therein are beneficial.

1 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Komponenten eines AMR-Systems. Netzwerkknoten 101 bis 103 sind miteinander verbunden, wobei der Netzwerknoten 101 mit einem Gateway 104 verbunden ist. Weiterhin sind mehrere Heizkostenverteiler 105 bis 111, elektronische Wasserzähler 112 und 113 sowie Wärmezähler 114 bis 116 vorgesehen, die mit den Netzwerkknoten 101 bis 103 verbunden sind. Die Heizkostenverteiler, Wasser- und Wärmezähler sind Beispiele für Sensoren gemäß den vorliegenden Ausführungen. 1 shows an exemplary arrangement of components of an AMR system. Network nodes 101 to 103 are interconnected, with the network notes 101 with a gateway 104 connected is. Furthermore, there are several heat cost allocators 105 to 111 , electronic water meter 112 and 113 as well as heat meters 114 to 116 provided with the network nodes 101 to 103 are connected. The heat cost allocators, water and heat meters are examples of sensors according to the present embodiments.

Die Sensoren 105 bis 116 sind mit Funkeinheiten ausgestattet, anhand derer eine drahtlose Kommunikation möglich ist. Sie übertragen Telegramme, bspw. in einer Richtung (unidirektional) zu den Netzwerkknoten 101 bis 103. Die Netzwerkknoten 101 bis 103 bilden ein vermaschtes Netzwerk, das z.B. über das Gateway 104 mit einem Server (Backbone) eines Gebäudes verbunden ist. Das Gateway 104 dient als eine Schnittstelle zu einem leitungsgebundenen Netzwerk (nicht in 1 dargestellt). The sensors 105 to 116 are equipped with radio units that enable wireless communication. They transmit telegrams, for example in one direction (unidirectional) to the network nodes 101 to 103 , The network nodes 101 to 103 form a meshed network, eg via the gateway 104 connected to a server (backbone) of a building. The gateway 104 serves as an interface to a wired network (not in 1 shown).

Beispielsweise beziehen die Netzwerkknoten 101 bis 103 und die Sensoren 105 bis 116 ihre elektrische Energie aus Batterien, nur das Gateway 104 ist in diesem Szenario mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden. Aufgrund der von den Batterien bereitgestellten begrenzten elektrischen Energie spielt der Energieverbrauch in den Sensoren 105 bis 116 und den Netzwerkknoten 101 bis 103 eine große Rolle. Beispielsweise können die Sensoren mit Batterien ausgestattet sein, die eine Kapazität von 1 bis 2 Ah haben und erreichen so eine Betriebsdauer von ca. 12 Jahren. Die Netzwerkknoten können mit speziellen Batterien ausgestattet sein, die eine Kapazität von z.B. 10 Ah haben und erreichen so eine Betriebsdauer von bis zu 10 Jahren. For example, the network nodes relate 101 to 103 and the sensors 105 to 116 their electrical energy from batteries, only the gateway 104 is connected to an electrical supply network in this scenario. Due to the limited electrical energy provided by the batteries, the energy consumption in the sensors plays a role 105 to 116 and the network node 101 to 103 a major role. For example, the sensors can be equipped with batteries that have a capacity of 1 to 2 Ah and thus achieve an operating life of approx. 12 years. The network nodes can be equipped with special batteries, which have a capacity of eg 10 Ah and thus reach a service life of up to 10 years.

Die unidirektionale Kommunikation zwischen den Sensoren und den Netzwerkknoten kann optimiert werden, indem eine bidirektionale Kommunikation vorgesehen wird. In diesem Fall kann die zentralisierte Funktionalität (Backbone Funktionalität) von den Netzwerkknoten durch die Sensoren selbst ersetzt werden. The unidirectional communication between the sensors and the network nodes can be optimized by providing bidirectional communication. In this case, the centralized functionality (backbone functionality) of the network nodes can be replaced by the sensors themselves.

2 zeigt ein sogenanntes ZESAN-Netzwerk 201 (ZESAN: Zuverlässige, energieeffiziente drahtlose Sensor-/Aktornetze für Gebäudeautomatisierung), das in Verbindung mit Anwendungen zur Erfassung von Sensordaten eingesetzt werden kann. 2 shows a so-called ZESAN network 201 (ZESAN: Reliable, energy-efficient wireless sensor / actuator networks for building automation) that can be used in conjunction with sensor data acquisition applications.

Das ZESAN-Netzwerk 201 umfasst verteilte Sensorknoten 202 bis 204, die beispielhaft mit Temperatursensoren ausgestattet sind, um so die Funktionalität von Heizkostenverteilern zu simulieren. Das ZESAN-Netzwerk 201 erfasst (z.B. regelmäßig) die gemessenen Temperaturen am Ort der Sensorknoten 202 bis 204. The ZESAN network 201 includes distributed sensor nodes 202 to 204 , which are equipped with temperature sensors as an example, to simulate the functionality of heat cost allocators. The ZESAN network 201 records (eg regularly) the measured temperatures at the location of the sensor nodes 202 to 204 ,

Das ZESAN-Netzwerk 201 ist über ein Gateway 205 mit einer Umwandlungseinheit 206 verbunden. Die Umwandlungseinheit 206 ist mit einem Netzwerkknoten 207 eines AMR-Systems verbunden. Somit erfolgt anhand der Umwandlungseinheit 206 eine Anbindung oder Kopplung mit dem AMR-System. Der Netzwerkknoten 207 ist über ein IP-basiertes Gateway 208 mit einem IP-Netzwerk 209 verbunden, an das ein Applikationscomputer 210 angeschlossen ist. The ZESAN network 201 is via a gateway 205 with a conversion unit 206 connected. The conversion unit 206 is with a network node 207 connected to an AMR system. Thus, based on the conversion unit 206 a connection or coupling with the AMR system. The network node 207 is via an IP-based gateway 208 with an IP network 209 connected to an application computer 210 connected.

Das ZESAN-Netzwerk 201 kann somit verstanden werden als ein drahtloses Sensornetzwerk, das z.B. mittels des ISO-OSI Modells und damit verbundenen Kommunikationsdiensten beschrieben werden kann. Die grundlegenden Kommunikationsdienste, z.B. MAC (Medium Access) und Routing haben dabei eine deutliche Auswirkung auf den Energieverbrauch der drahtlosen Sensoren. Beispielsweise kann für das ZESAN-Netzwerk ein sogenanntes BoX-MAC-2 System als eine Mithör-Schicht geringer Leistung vorgesehen sein. Diesbezüglich sei auf [ D. Moss and P. Levis, "BoX-MACs: Exploiting physical and link layer boundaries", Technical Report SING-08-00, 2007 ] verwiesen. The ZESAN network 201 Thus, it can be understood as a wireless sensor network that can be described, for example, by means of the ISO-OSI model and related communication services. The basic communication services, eg MAC (Medium Access) and routing, have a significant impact on the energy consumption of the wireless sensors. For example, for the ZESAN network, a so-called BoX-MAC-2 system may be provided as a low power listening layer. In this regard, please refer to [ D. Moss and P. Levis, "BoX-MACs: Exploiting Physical and Link Layer Boundaries", Technical Report SING-08-00, 2007 ].

Für die Messapplikation spielt die Erfassung der Daten an dem Gateway eine bedeutende Rolle, weshalb ein sogenanntes Collection Tree Protocol (CTP) [ http://www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/html/tep123.html ] als Routing-Protokoll eingesetzt werden kann. Dieses kombiniert zwei Routing-Mechanismen: ein sogenanntes adaptives Beaconing und eine Validierung von Datenpfaden. In diesem Fall zeigen Knoten sich selbst als Wurzelknoten einer Baumstruktur an. Die Knoten senden nicht ein Paket zu einem bestimmten Wurzelknoten, sondern wählen den nächsten Abschnitt (Hop) unter Betrachtung eines Gradienten, um zur Datensenke zu gelangen. For the measurement application, the acquisition of data at the gateway plays an important role, which is why a so-called Collection Tree Protocol (CTP) [ http://www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/html/tep123.html ] can be used as a routing protocol. This combines two routing mechanisms: a so-called adaptive beaconing and a validation of data paths. In this case, nodes indicate themselves as root nodes of a tree structure. The nodes do not send a packet to a particular root node, but choose the next hop section, looking at a gradient, to get to the data sink.

Beispielsweise können die Sensorknoten mit einem Betriebssystem TinyOS, das BoX-MAC-2 und CTP implementiert, ausgestattet sein. For example, the sensor nodes may be equipped with a TinyOS operating system implementing BoX-MAC-2 and CTP.

Der Energieverbrauch der Sensorknoten hängt nicht nur von grundlegenden Diensten wie MAC und Routing ab, sondern auch von der Menge der Daten, die übermittelt werden sollen und der Frequenz mit der die Übertragung erfolgen soll. Diese Größen werden insbesondere von der Anwendungsschicht gesteuert. Die Anwendungsschicht selbst kann auch einen deutlichen Beitrag zur Energieeffizienz leisten. Eine Option besteht darin, die Daten zu komprimieren bevor sie übertragen werden. Dies kann z.B. mittels eines sogenannten Self-Based-Regression(SBR)-Algorithmus erreicht werden, der ausnutzt, dass Sensordatenströme korreliert sind und somit effizient komprimiert werden können [siehe z.B. Deligiannakis, A.; Kotidis, Y. & Roussopoulos, N., Compressing Historical Information in Sensor Networks, Proceedings of the 2004 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, ACM, 2004, 527–538 ]. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Sammlung der Daten adaptiv erfolgt, wobei aktualisierte Daten nur dann übertragen werden, wenn die aktuellen Sensordaten deutlich (z.B. um mehr als einen vorgegeben Schwellwert) von den vorherigen Sensordaten abweichen. The power consumption of the sensor nodes depends not only on basic services such as MAC and routing, but also on the amount of data to be transmitted and the frequency with which the transmission is to take place. These quantities are controlled in particular by the application layer. The application layer itself can also make a significant contribution to energy efficiency. One option is to compress the data before it is transmitted. This can be achieved, for example, by means of a so-called self-based regression (SBR) algorithm, which exploits the fact that sensor data streams are correlated and can therefore be efficiently compressed [see, for example, US Pat Deligiannakis, A .; Kotidis, Y. & Roussopoulos, N., Compressing Historical Information at Sensor Networks, Proceedings of the 2004 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, ACM, 2004, 527-538 ]. Another possibility is that the collection of data is adaptive, with updated data being transmitted only if the current sensor data deviates significantly (eg, by more than a predetermined threshold) from the previous sensor data.

Modernes Energiemanagement erfordert eine zeitnahe Überwachung mit einer vergleichsweise hohen Rate, mit der die Messwerte zu übermitteln sind. Dies kann energieeffizient z.B. unter Berücksichtigung einer der folgenden Punkte erfolgen:

(1) Zusätzlich zu einem aktuellen Messwert übermittelt der Sensor auch eine bestimmte Menge an Prognosewerten für eine Reihe nachfolgender Zeitintervalle. Für die Dauer dieser Zeitintervalle erfolgt keine weitere Übermittlung von Sensordaten mit Ausnahme der folgenden Bedingung (2).
(2) Falls ein Sensordatum um mehr als einen vorgegebenen Wert von einem zuvor übermittelten Prognosewert abweicht, erfolgt erneut eine Übertragung gemäß (1).

Modern energy management requires timely monitoring at a comparatively high rate, with which the measured values are to be transmitted. This can be done in an energy-efficient way, for example by taking into account one of the following points:

(1) In addition to a current measurement, the sensor also transmits a set of forecast values for a series of subsequent time intervals. For the duration of these time intervals no further transmission of sensor data takes place with the exception of the following condition (2).
(2) If a sensor date differs by more than a predetermined value from a previously transmitted forecast value, a transmission according to (1) takes place again.

Energieeinsparungs-Mechanismen werden nachfolgend beispielhaft für ein TDMA-System (TDMA: Time Division Multiple Access) und für LPL-System (LPL: Low Power Listening, auf Deutsch etwa: energie-effizientes Mithören) beschrieben. Energy-saving mechanisms are described below by way of example for a TDMA system (TDMA: Time Division Multiple Access) and for LPL system (LPL: Low Power Listening).

3 zeigt beispielhaft ein Flussdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zur Übermittlung von Messwerten und Prognosewerten von einem Sensorknoten zu einer Datensenke. Bei der Datensenke kann es sich um einen beliebigen Empfänger handeln, der z.B. über ein Netzwerk mit dem Sensorknoten verbindbar ist. 3 shows by way of example a flowchart with steps of a method for transmitting measured values and forecast values from a sensor node to a data sink. The data sink can be any receiver that can be connected to the sensor node, for example, via a network.

Das Diagramm gemäß 3 gilt insbesondere für jeden Zeitschritt. Zunächst wird in einem Schritt 301 ein Messwert bestimmt, dann wird in einem Schritt 304 entschieden, ob ein Prognosewert vorliegt und der Messwert nicht zu sehr davon abweicht. Trifft dies zu, geht es im nächsten Intervall mit dem Schritt 301 weiter. Ist eine der in Schritt 304 geprüften Bedingungen nicht erfüllt, werden in einem Schritt 302 neue Prognosewerte bestimmt und in einem Schritt 303 zusammen mit dem Messwert verschickt. Dann geht es im nächsten Intervall wieder mit dem Schritt 301 weiter. The diagram according to 3 especially applies to every time step. First, in one step 301 a measured value is determined, then in one step 304 decided whether a prognosis value is present and the measured value deviates too much from it. If so, the next step is the step 301 further. Is one of the in step 304 tested conditions are not met, in one step 302 new forecast values determined and in one step 303 sent together with the reading. Then it goes in the next interval again with the step 301 further.

4 zeigt beispielhaft eine schematische Anordnung mit einem Sensorknoten 401 umfassend eine Einheit 402 zur Bestimmung von Messwerten 405, einer Übertragungseinheit 403 und einer Verarbeitungseinheit 404. Anhand der Verarbeitungseinheit 404 können die von der Einheit 402 erfassten Messwerte 405 übertragen werden und es können Prognosewerte, vorzugsweise basierend auf vergangenen Messwerten 405, bestimmt werden. Der Sensorknoten 401 ist mittels der Übertragungseinheit 403 mit einem Netzwerk 406 verbunden. Eine Datensenke 407 ist ebenfalls mit dem Netzwerk 406 verbunden. Somit können die Messwerte 405 und die Prognosewerte – vorzugsweise gemeinsam in einem Datenpaket – von dem Sensorknoten 401 an die Datensenke 407 übertragen werden. Die Übertragungseinheit 403 kann eine Funkschnittstelle aufweisen und das Netzwerk 406 kann z.B. ein drahtloses Netzwerk (Funknetzwerk) umfassen. Der Sensorknoten 401 wird mitsamt seiner vorstehend erläuterten Komponenten von einer Batterie 410 mit elektrischer Energie versorgt. 4 shows an example of a schematic arrangement with a sensor node 401 comprising a unit 402 for the determination of measured values 405 , a transmission unit 403 and a processing unit 404 , Based on the processing unit 404 can be from the unit 402 recorded measured values 405 and can be forecast values, preferably based on past measurements 405 to be determined. The sensor node 401 is by means of the transmission unit 403 with a network 406 connected. A data sink 407 is also connected to the network 406 connected. Thus, the measured values 405 and the forecast values - preferably together in a data packet - from the sensor node 401 to the data sink 407 be transmitted. The transmission unit 403 may have a radio interface and the network 406 may for example comprise a wireless network (radio network). The sensor node 401 is, together with its above-mentioned components of a battery 410 supplied with electrical energy.

Auch sind in 4 beispielhaft zwei weitere Sensorknoten 408 und 409 dargestellt, die vorzugsweise wie der Sensorknoten 401 aufgebaut sind und ihrerseits Messwerte und Prognosewerte an die Datensenke 407 übermitteln. Die Datensenke 407 kann ein Prognosemodell basierend auf den erhaltenen Messwerten und Prognosewerten der mehreren Sensorknoten 401, 408 und 409 erstellen. Also are in 4 by way of example two further sensor nodes 408 and 409 shown, preferably as the sensor node 401 and in turn measured values and forecast values to the data sink 407 to transfer. The data sink 407 may be a forecasting model based on the obtained measurements and forecast values of the multiple sensor nodes 401 . 408 and 409 create.

Energieeinsparung in einem TDMA-System Energy savings in a TDMA system

In dem TDMA-System werden spezifische Zeitschlitze zur Übertragung von Paketen verwendet bzw. zugewiesen. Beispielhaft wird angenommen, dass ein Empfänger nicht in einen Schlafzustand verfällt, falls er nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer (Timeout) in dem für ihn vorgesehenen Zeitschlitz kein Signal detektiert hat. Somit ist es bei diesem Ansatz nur dem Sender möglich, Energie einzusparen. In the TDMA system, specific time slots are used for transmission of packets. By way of example, it is assumed that a receiver does not fall into a sleep state if it has not detected a signal in the time slot provided for him after the expiration of a predetermined period of time (timeout). Thus, with this approach, only the transmitter is able to save energy.

Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass der Sensorknoten ein Paket übermittelt umfassend den aktuellen Wert des Sensors sowie Prognosewerte für die zukünftigen m Messintervalle (Sampling-Intervall). Jedes Datum hat eine Größe von n_data Bytes, z.B. den Sensorwert bzw. den Prognosewert und einen Zeitstempel. Die zum Übermitteln eines solchen Pakets benötigte elektrische Energie ist bestimmt durch: By way of example, it is assumed that the sensor node transmits a packet comprising the current value of the sensor as well as forecast values for the future m measurement intervals (sampling interval). Each datum has a size of n _data bytes, eg the sensor value or the prognosis value and a time stamp. The electrical energy needed to transmit such a packet is determined by:

E_Tx(m) = UI₀t₀ + UI_Tx(t_oh + (m + 1)n_datat_byte) + mUI_cput_pred, (1) wobei

U: eine Versorgungsspannung,
I_Tx: einen Stromverbrauch des Transceivers bei der Datenübertragung,
I_cpu: einen Strom des Mikrocontrollers während der Berechnung der Prognosewerte,
t_pred: eine Zeitdauer für die Berechnung eines Prognosewerts,
t_oh: eine Zeitdauer für die Übertragung des Paket-Overheads (Mehraufwand an Daten für das eigentliche Datenpaket),
t_byte: eine Zeitdauer zur Übertragung eines Datenbytes,
I₀: einen durchschnittlichen Strom während der Einschaltphase, Backoff-Phase (Zeitdauer, die der Sender wartet bis er mit der Übertragung beginnt), Wartedauer während des Empfangs einer Bestätigung und Dauer des Ausschaltens des Transceivers in den Schlafmodus,
t₀: die Zeitdauer, während der der Strom I₀ benötigt wird,
m: die Anzahl der nachfolgenden (zukünftigen) Messintervalle

bezeichnen. Im Fall m = 0 wird nur der aktuelle Sensorwert übermittelt.

E _Tx (m) = UI ₀ t ₀ + UI _Tx (t _oh + (m + 1) n _data t _byte ) + mUI _cpu t _pred , (1)

in which

U: a supply voltage,
I _Tx: a power consumption of the transceiver during data transmission,
I _cpu: a current of the microcontroller during the calculation of the prognosis values,
t _pred: a period of time for the calculation of a forecast value,
_oh: a time period for the transmission of the packet overhead (additional expenditure of data for the actual data packet),
t _byte: a period of time for transmitting a data byte,
I ₀: an average current during the switch-on phase, the back-off phase (the length of time the transmitter waits until it starts transmitting), the waiting time during the reception of an acknowledgment and the duration of the switch-off of the transceiver into the sleep mode,
t ₀: the length of time during which the current I _{0 is} required,
m: the number of subsequent (future) measurement intervals

describe. In the case m = 0, only the current sensor value is transmitted.

Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die Prognosewerte genau genug sind, so dass durchschnittlich k Übertragungen von k + 1 Übertragungen vermieden werden können. In diesem Fall ergibt sich ein normalisierter Energieverbrauch zu:

By way of example, it is assumed that the forecast values are accurate enough so that an average of k transmissions of k + 1 transmissions can be avoided. In this case, normalized energy consumption results in:

Da der Term ΔE_Tx,rel(k, m) positiv sein muss, damit Energie eingespart werden kann, folgt:

Since the term ΔE _{Tx, rel} (k, m) must be positive, so that energy can be saved, it follows:

Als eine beispielhafte Auslegung seien die folgenden Werte angenommen: I_Tx ≈ I₀ ≈ 20mA I_cpu ≈ 2mA t₀ ≈ 0.4ms t_byte = 0.032ms t_oh = 0.8ms (entsprechend einem beispielhaften Paketoverhead von 25 Bytes). As an example, the following values are assumed: I _Tx ≈ I ₀ ≈ 20mA I _cpu ≈ 2mA t ₀ ≈ 0.4ms t _byte = 0.032ms t _oh = 0.8ms (corresponding to an exemplary packet overhead of 25 bytes).

Daraus resultiert:

wobei t_pred in Millisekunden bestimmt wird. Falls ein Sensordatum (ein Sensorwert) 2 Bytes und ein zugehöriger Zeitstempel 4 Bytes benötigt, ergibt dies einen Wert von 6 Bytes für n_data. Dies führt dazu, dass

k > m(0.192 + 0.1t_pred)/1.392. (4)

This results:

where t _{pred is determined} in milliseconds. If a sensor datum (a sensor value) requires 2 bytes and an associated timestamp 4 bytes, this gives a value of 6 bytes for _ndata . This leads to

k> m (0.192 + 0.1t _pred ) /1.392. (4)

Für eine beispielhafte Schätzung von t_pred = 1ms resultiert k > 0.21m. For an exemplary estimate of t _pred = 1 ms, k> 0.21m.

Dies bedeutet, dass durchschnittlich mehr als 0.21m Prognoseschritte einen Fehler unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts aufweisen müssen, falls m Prognosewerte mit jedem Paket übertragen werden. Mit dieser Zahl ergibt sich eine normalisierte Energieeinsparung zu:

This means that an average of more than 0.21m forecast steps must have an error below a given threshold, if m forecast values are transmitted with each packet. With this number, a normalized energy saving results:

In diesem Beispiel gibt es die folgenden Randbetrachtungen:

(i) m = k, d.h. m soll mindestens so groß wie k sein.
(ii) m = k/0.21, d.h. es ergibt sich keine Energieeinsparung.

In this example, there are the following edge considerations:

(i) m = k, ie m should be at least as large as k.
(ii) m = k / 0.21, ie there is no energy saving.

Für den Fall (i) ergibt sich die Energieeinsparung zu 0.79k/(k + 1), d.h. 0.79k für kleine Werte k und 0.79 für große Werte k. Für k = 1 ergibt sich eine Energieeinsparung von ca. 40%. Hierbei handelt es sich insbesondere um obere Schranken. In the case (i), the energy saving is 0.79k / (k + 1), i. 0.79k for small values k and 0.79 for large values k. For k = 1 results in an energy saving of about 40%. These are in particular upper bounds.

Für den Fall m = 2k ergibt sich eine relative Energieeinsparung zu 0.58k/(k + 1); falls durchschnittlich nur k = 1 Prognosewerte erfolgreich mit m = 2 übertragenen Prognosewerten sind, ergibt sich eine Energieeinsparung von ca. 29% für den Sendeknoten. Die Energieeffizienz kann ggf. weiter gesteigert werden, indem die Zeitdauer für die Berechnung des Prognoseschritts kleiner wird. Dies kann z.B. mittels eines Prognosemodells mit vorgegebenen Parametern erreicht werden. Um ein Prognosemodell online zu bestimmen (z.B. zu erlernen), wird vorzugsweise zusätzliche Rechenleistung benötigt. For the case m = 2k, there is a relative energy saving of 0.58k / (k + 1); if, on average, only k = 1 forecast values are successful with m = 2 transmitted forecast values, this results in an energy saving of approximately 29% for the transmitting node. If necessary, energy efficiency can be further increased by reducing the time required to calculate the forecasting step. This can be achieved, for example, by means of a prognosis model with predefined parameters. In order to determine a prognosis model online (eg to learn), additional computing power is preferably needed.

Energieeinsparung in einem LPL-System Energy saving in an LPL system

LPL ist ein Zugriffsschema, das insbesondere für drahtlose Sensornetzwerke mit einem geringen Auslastungsgrad von Vorteil ist. Die Sensorknoten sind die meiste Zeit in einem Niederenergiezustand ("low power"-Zustand oder Schlaf-Zustand). Der Sensorknoten wird zu vorgegebenen Zeiten (z.B. regelmäßig oder unregelmäßig) für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert ("aufgeweckt") und überprüft den Kanal auf Übertragungen. Eine solche Übertragung wird erkannt anhand einer von einem Sender empfangenen Präambel oder eines von diesem übermittelten Pakets. Empfängt der Sensorknoten während dieser Aktivierungszeitdauer keine Daten, kehrt er in den Niederenergiezustand zurück. LPL is an access scheme that is particularly beneficial for low-utilization wireless sensor networks. The sensor nodes are in a low energy state (sleep state) most of the time. The sensor node is activated ("woken") at given times (e.g., regular or irregular) for a predetermined period of time and checks the channel for transmissions. Such a transmission is detected by means of a preamble received from a transmitter or a packet transmitted by it. If the sensor node does not receive data during this activation period, it returns to the low power state.

Empfängt der Sensorknoten während der Aktivierungszeitdauer Daten, so übermittelt er eine Bestätigungsnachricht (Acknowledgement-Nachricht oder ACK-Nachricht) an den Sender. If the sensor node receives data during the activation period, it transmits an acknowledgment message (acknowledgment message or ACK message) to the sender.

Gemäß einer beispielhaften Implementierung kann der Sender eine Abfolge Warten, Paketübertragung, Warten auf eine Bestätigungsnachricht wiederholen und zwar für eine Zeitdauer, die zweimal der Aufweckzeitdauer des Sensorknotens entspricht. In diesem Fall kann der Sensorknoten das von dem Sender übermittelte Paket mit hoher Wahrscheinlichkeit zeitnah erkennen und die Bestätigungsnachricht an den Sender schicken. In accordance with an example implementation, the transmitter may repeat a sequence of waiting, packet transmission, waiting for an acknowledgment message, for a period of time twice the wakeup duration of the sensor node. In this case, the sensor node can detect the packet transmitted by the sender with high probability in a timely manner and send the acknowledgment message to the sender.

Der Energieverbrauch des Senders kann gemäß Gleichung (1) bestimmt werden, wobei jedes Paket durchschnittlich r-mal übertragen wird, bevor der Empfang des Pakets vom Empfänger bestätigt wird. Hierdurch ergibt sich der folgende durchschnittliche Energieverbrauch für den Sender: E_Tx(m) = rUI₀t₀ + rUI_tx(t_oh + (m + 1)n_datat_byte) + mUI_cput_pred (6) The power consumption of the transmitter can be determined according to equation (1), wherein each packet is transmitted an average of r times before the receipt of the packet is acknowledged by the receiver. This results in the following average energy consumption for the sender: E _Tx (m) = rUI ₀ t ₀ + rUI _tx (t _oh + (m + 1) n _data t _byte ) + mUI _cpu t _pred (6)

Es folgt für einen normalisierten Energieverbrauch:

It follows for a normalized energy consumption:

Setzt man die im obigen Beispiel angenommenen Werte ein, ergibt dies:

Substituting the values assumed in the example above results in:

In diesem Fall sollte k > 0.138m + 0.072m/r erfüllt sein, um Energie einsparen zu können. Im Falle eines asynchronen LPL-Systems mit einem Aufweck-Intervall, das deutlich länger als die Zeit für eine Paketübertragung ist, gilt r >> 1. Beispielsweise kann der von r abhängige Term vernachlässigt werden und es ergibt sich näherungsweise k > 0.138m. In this case, k> 0.138m + 0.072m / r should be satisfied to save energy. For example, in the case of an asynchronous LPL system with a wake-up interval that is significantly longer than the time for a packet transfer, r >> 1. For example, the term dependent on r can be neglected, resulting in approximately k> 0.138m.

Für den Grenzfall m = k ergibt sich ΔE_tx,rel(k, k, r) ≈ 0.862k/(k + 1). Im Fall m = 2k ergibt sich eine relative Energieeinsparung zu ΔE_tx,rel(k, 2k, r) ≈ 0.724k/(k + 1), d.h. ca. 72% für eine große Anzahl erfolgreicher Prognosewerte und ca. 36% für k = 1. For the limiting case m = k we have ΔE _{tx, rel} (k, k, r) ≈ 0.862k / (k + 1). In the case m = 2k, there is a relative energy saving of ΔE _{tx, rel} (k, 2k, r) ≈ 0.724k / (k + 1), ie about 72% for a large number of successful forecast values and about 36% for k = 1.

Im Gegensatz zu dem TDMA-System kann in dem LPL-System nicht nur der Sender, sondern auch der Empfänger Energie einsparen. So begibt sich der Empfänger in den Niederenergiezustand, wenn er während einer bestimmten Zeitdauer kein Signal detektiert hat. Die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um ein Paket mit m Prognosewerten zu detektieren beträgt im Schnitt: E_Rx(m) = UI_Rx(1.5 t_oh + 1.5 (m + 1)n_datat_byte + t_ipi), (9) wobei t_ipi einem kurzen Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Übertragungen des Senders entspricht (umfassend die Backoff-Zeit und die Wartezeit für die Bestätigungsnachricht). Unlike the TDMA system, not only the transmitter but also the receiver can save energy in the LPL system. Thus, the receiver goes into the low energy state when he is during has not detected a signal for a certain period of time. The additional energy needed to detect a package with m forecast values is on average: E _Rx (m) = UI _Rx (1.5 t _oh + 1.5 (m + 1) n _data t _byte + t _ipi ), (9) where t _{ipi corresponds to} a short time interval between two consecutive transmissions of the sender (comprising the backoff time and the waiting time for the acknowledgment message).

Der Faktor 1.5 berücksichtigt hierbei beispielhaft, dass der Empfänger das Signal während der Paketübertragung detektiert, was im Durchschnitt die halbe Zeitdauer der Paketübertragung benötigt. By way of example, the factor 1.5 takes into account that the receiver detects the signal during the packet transmission, which on average requires half the duration of the packet transmission.

Die relative Energieeinsparung des Empfängers ergibt sich zu:

The relative energy saving of the receiver results to:

Mit den obigen Zahlen und t_ipi = 4ms folgt: With the above numbers and t _ipi = 4ms follows:

Dies entspricht Gleichung (5) für das TDMA-System. Für den Fall k = 1 und m = 2 resultiert eine beispielhafte Energieeinsparung in Höhe von 29%. This corresponds to equation (5) for the TDMA system. For the case k = 1 and m = 2 results in an exemplary energy savings of 29%.

Weitere Vorteile:
Die Datensenke muss nur die von den Sensorknoten übermittelten Prognosewerte abspeichern, anstatt ein Prognosemodell auch für den Sensorknoten auszuwerten. Das reduziert die bei der Datensenke benötigten Rechenressourcen. Other advantages:
The data sink only has to store the forecast values transmitted by the sensor nodes, instead of evaluating a forecast model for the sensor node as well. This reduces the computational resources needed at the data sink.

Bereits bei relativ kurzem Prognosehorizont kann die vorgestellte Lösung im Zusammenspiel mit einem LPL-Zugriffsverfahren signifikant Energie einsparen. Even with a relatively short forecast horizon, the presented solution can significantly save energy in combination with an LPL access procedure.

Falls Prognosemodelle online adaptiert werden, kann dies auch lokal im jeweiligen Sensorknoten erfolgen; das Prognosemodell selbst muss nicht an die Datensenke übermittelt werden. If prognosis models are adapted online, this can also be done locally in the respective sensor node; the forecasting model itself does not have to be transmitted to the data sink.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. While the invention has been further illustrated and described in detail by the at least one embodiment shown, the invention is not so limited and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Directive 2006/32 / EC of the European Parliament [0054]
D. Moss and P. Levis, "BoX-MACs: Exploiting Physical and Link Layer Boundaries", Technical Report SING-08-00, 2007 [0062]
http://www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/html/tep123.html [0063]
Deligiannakis, A .; Kotidis, Y. & Roussopoulos, N., Compressing Historical Information at Sensor Networks, Proceedings of the 2004 ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, ACM, 2004, 527-538 [0065]

Claims

Method for transmitting measured values and forecast values of a sensor node, In which a first measured value is determined, In which, for a given time interval, a number of forecast values corresponding to this time interval is determined, In which the first measured value and the forecast values are transmitted to a data sink, In which no further measured values determined by the sensor node are transmitted for the duration of the time interval if the further measured values do not deviate from the prognosis values by more than a predetermined threshold value.

Method according to claim 1, (a) in which the time interval comprises a plurality of time steps and a prognosis value is determined per time step, (b) in which a next measured value is determined per time step, (c) in which the next measured value is compared with the forecast value associated with the time step, (D) in which the next measured value is transmitted in the direction of the data sink, if the next measured value and the associated forecast value differ by more than the predetermined threshold value.

The method of claim 2, wherein the method is performed again if condition (d) is not met.

Method according to one of the preceding claims, in which the prognosis values are determined by means of a linear or nonlinear regression.

Method according to one of the preceding claims, in which the prognosis values are determined by means of past measured values.

Method according to one of the preceding claims, in which the sensor node transmits the measured values and the forecast values via a radio interface.

Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor node comprises at least one unit for determining the measured value, a processing unit for determining the prognosis values and a transmission unit, wherein the transmission unit has in particular a transceiver or a transmitter.

Method according to Claim 7, in which the transmission unit is activated only when a measured value and / or a prognosis value is to be transmitted in the direction of the data sink and in which the transmission unit is otherwise operated in a low-energy mode.

Method according to one of Claims 7 or 8, in which the unit for determining the measured value comprises at least one of the following components: a unit for measuring a temperature, - a unit for measuring electricity consumption, A unit for measuring a humidity, A unit for flow measurement, in particular a water meter or a gas meter, - a heat cost allocator.

Method according to one of the preceding claims, wherein the data sink is a central or a distributed component of a network and, based on the forecast values of the sensor node, determines prognosis values for a system comprising further sensor nodes.

Method according to one of the preceding claims, in which the first measured value and the forecast values are transmitted in a data packet.

The method of any one of the preceding claims, wherein the sensor node and the data sink are part of a network with TDMA media access or LPL media access.

Method according to one of the preceding claims, in which a communication between the sensor node and the data sink is carried out unidirectionally or bidirectionally.

Sensor node - with at least one unit for determining a first measured value, - with a processing unit and - with a transmission unit, wherein the transmission unit comprises in particular a transceiver or a transmitter, - wherein the processing unit is arranged such that - for a predetermined time interval a this time interval the first measured value and the forecast values are transmitted to a data sink by the transmission unit, no further measured values determined by the sensor node are transmitted for the duration of the time interval if the further measured values do not exceed one predetermined value Threshold deviate from the forecast values.

System for transmitting and recording measured values and forecast values comprising at least one sensor node according to claim 14 and a data sink.