EP2255346A1 - Verfahren zum betreiben eines drahtlosen sensornetzwerks und sensorknoten - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines drahtlosen sensornetzwerks und sensorknoten

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Publication number
EP2255346A1
EP2255346A1 EP09722507A EP09722507A EP2255346A1 EP 2255346 A1 EP2255346 A1 EP 2255346A1 EP 09722507 A EP09722507 A EP 09722507A EP 09722507 A EP09722507 A EP 09722507A EP 2255346 A1 EP2255346 A1 EP 2255346A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
operating state
control signal
sensor
state control
sensor node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09722507A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Niedermeier
Norbert Vicari
Joachim Walewski
Andreas Zeidler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2255346A1 publication Critical patent/EP2255346A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H04L67/125—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks involving control of end-device applications over a network
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/40—Arrangements in telecontrol or telemetry systems using a wireless architecture
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q2209/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems
    • H04Q2209/80—Arrangements in the sub-station, i.e. sensing device
    • H04Q2209/88—Providing power supply at the sub-station
    • H04Q2209/883—Providing power supply at the sub-station where the sensing device enters an active or inactive mode
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0212—Power saving arrangements in terminal devices managed by the network, e.g. network or access point is master and terminal is slave
    • H04W52/0219—Power saving arrangements in terminal devices managed by the network, e.g. network or access point is master and terminal is slave where the power saving management affects multiple terminals

Definitions

  • the invention is in the field of network technology and relates to a method for operating a wireless sensor network and a sensor node of a sensor network suitably set up for carrying out the method.
  • Sensor networks are increasingly being used for a variety of monitoring tasks in complex environments, such as large industrial installations, power plants, ships, aircraft and vehicles.
  • wireless sensor networks with a plurality of wirelessly communicating sensor nodes prove to be particularly practical since the sensor nodes can be placed at different locations as desired.
  • Wireless sensor networks are managed by network management, which is typically implemented in a control station (“base station”) that communicates wirelessly with the sensor nodes.
  • the data sampled by the sensor nodes are transmitted to the control station and can be transmitted from there to a data processing device connected to the base station for further processing.
  • the sensor nodes can communicate with each other and with the base station wirelessly, which is typically done by means of undirected radio transmission. If a sensor node is outside the radio range of the base station, data can be routed to the control station via multiple sensor nodes using the multi-hop method.
  • CPU Central P_rocessing unit
  • the sensor nodes be configured - commonly referred to as the "engineering" of the sensor network.
  • an identity is assigned to it, that is to say a logical identifier, under which the sensor node in the network can be identified and addressed.
  • the identity of a sensor node represents a connection to its hardware address (for example MAC address).
  • a sensor node in the configuration is assigned the desired functionality, that is, one or more specific functions that the sensor node in a predeterminable location should perform.
  • the sensor node is registered (logged in) during the configuration into the network management managing the sensor network.
  • PDA Personal Digital Assistant
  • HMI Human Machine Interface
  • Radio transmission configured because there is a risk on-site that further sensor nodes located within radio range are addressed.
  • this approach is cumbersome and also involves the risk that the sensor nodes confused after configuration and wrong (not provided)
  • Mounting points are mounted. A check as to whether a sensor node has been mounted at the intended location is only possible indirectly by detecting measured variables. In particular, in order to avoid assembly of sensor nodes in incorrect locations, it would be desirable if the configuration of the
  • Sensor node using a mobile control unit by means of undirected radio transmission could be done locally.
  • a sensor node in the event that a sensor node can already be brought back to a functional state by a simple measure, for example by replacing a probe or the battery, which may also be carried out without disassembly of the sensor node, it would be desirable if the configuration of the sensor node could be carried out selectively by means of undirected radio transmission on site.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating a wireless sensor network, which allows a selective configuration of a sensor node by means of undirected radio transmission, even if further sensor nodes are within radio range.
  • a sensor network suitable for carrying out the method according to the invention comprises a plurality of sensor nodes which communicate wirelessly. These can, under the control of a network management implemented in the sensor network, exchange data wirelessly with each other and with a base station. The data sampled by the sensor nodes can be transmitted to the base station where it is analyzed or transmitted to a further data processing device for processing thereof.
  • Each sensor node of the sensor network comprises at least one sensor for measuring measured values of physical or technical measured variables, a communication device for Data transmission by means of undirected radio transmission between the sensor node and other sensor nodes or the base station, a microprocessor-based control device for controlling the functionality of the sensor node, as well as an autonomous power supply in the form of a battery or a rechargeable battery.
  • the method according to the invention for operating the sensor network is essentially characterized in that a selection set of sensor nodes of the sensor network containing at least one sensor node is defined by a wirelessly transmitted first operating state control signal generated by a signal generator, which is spatially delineated or demarcated. that it encounters only the sensor nodes contained in the selection set, can be selectively switched from a first operating state into a second operating state.
  • the sensor nodes are set up so that they can receive and process control data only in the second operating state by means of undirected radio transmission, whereas in the first operating state they can not receive control data or at least can not process control data by means of undirected radio transmission. Since sensor nodes often wake up only a few times for a few seconds a day and are otherwise in an energy-efficient standby state, the first
  • Operational state control signal serve as a wake-up signal to wake a sensor node out of order.
  • the first operating state control signal serves to control operating states of the sensor nodes, that is to say to switch over the possible operating states of the sensor nodes.
  • the first operating state control signal therefore differs in its peculiarity from sensor data transmitted between the sensor nodes or between a sensor node and the base station.
  • the control data transmitted to the sensor nodes by means of undirected radio transmission serve to control the functionality of a sensor node, whereby the control data can be used to configure a sensor node, that is to say the assignment of an identity and the entry of a sensor node into the network management.
  • the control data thus differ in their peculiarity from the first operating state control signal and from sensor data which are transmitted between the sensor nodes or between a sensor node and the base station.
  • the method according to the invention makes it possible for the first time to selectively transmit control data to a sensor node already mounted at a predeterminable location (assembly point) but not yet configured by means of undirected radio transmission, for example to locally configure the sensor node, without the risk that further sensor nodes within the radio range of the radio transmission.
  • the first operating state control signal is transmitted by directed electromagnetic radiation, which is, for example, a transmission of directed radar signals or a transmission of directed radio signals (radio relay), for example at a frequency of 60 GHz, or a transmission directed light optical Signals (light radiation) in the visible wavelength range can act.
  • directed electromagnetic radiation is, for example, a transmission of directed radar signals or a transmission of directed radio signals (radio relay), for example at a frequency of 60 GHz, or a transmission directed light optical Signals (light radiation) in the visible wavelength range can act.
  • the communication device for wireless radio transmission of the sensor nodes can also be used to receive the first operating state control signal.
  • the communication device for wireless radio transmission of the sensor nodes can also be used to receive the first operating state control signal.
  • This embodiment of the invention enables a particularly simple technical realization of the method according to the invention, wherein the electromagnetic radiation generated by a signal generator, for example a mobile control device, can be directed in a simple manner to a selectable sensor node in order to selectively move the sensor node from the first operating state to put into the second operating state.
  • a signal generator for example a mobile control device
  • the first operating state control signal is transmitted in the form of a directed light-optical signal, for example in the form of a laser beam or bundled light beam, an impact of the directional light optical signal on the selected sensor node can advantageously be checked optically.
  • the first operating state control signal is sent instead of a directed electromagnetic radiation by means of undirected (diffuse) electromagnetic radiation, wherein the electromagnetic radiation is transmitted within an electromagnetic radiation spatially delimiting environment, so that the electromagnetic radiation in this case is spatially limited and the sensor nodes located within the spatially delimited environment can be selectively offset from the first operating state to the second operating state.
  • the first operating state control signal is transmitted by means of diffuse light (for example a ceiling lighting) in an optically delimited environment, whereby all sensors located within the optically delimited environment are transmitted. sorknoten selectively be put into the second operating state.
  • diffuse light for example a ceiling lighting
  • This embodiment of the invention enables a further particularly simple technical realization of the method according to the invention, in which the sensor nodes located within the optically delimited environment can be shifted from the first operating state into the second operating state.
  • An optically delineated environment is realized when a desired selection set of sensor nodes is optically shielded from sensor nodes.
  • the sensor nodes for receiving the light-optical signal are provided with an opto-electronic transducer (eg photodiode).
  • the first operating state control signal is transmitted in the form of a directional light beam or alternatively in the form of non-directional (diffused) light in an optically delimited environment, it may further be advantageous if the first operating state control signal is modulated with a selectable control signal identifier which can be demodulated by a sensor node receiving the first operating state control signal.
  • the sensor nodes are arranged in this case such that a sensor node is put into the second operating state only if the first operating state control signal is provided with the control signal and is not put into the second operating state if the first operating state control signal is not provided with the control signal ,
  • a modulation can be advantageously avoided that random light fluctuations or regular light modulations, as are typical for fluorescent tubes, for example, be misinterpreted as the first operating state control signal.
  • a modulation of the light from fluorescent tubes takes place at certain frequencies. If the light is modulated onto a subcarrier with a different frequency, it can be received and demodulated without interference.
  • Another method suitable for this purpose is, for example, CDMA (Code Division Multiple Access).
  • Signal Identifier detects a spectral property of the first operating state control signal, wherein a sensor node is placed in the second operating state only if the spectral characteristic of the first RadioWORK Kunststoffsteuig- signal corresponds to a presettable spectral characteristic for the first operating state control signal, and otherwise not in the second operating state if the spectral characteristic of the first operating state control signal does not correspond to the presettable spectral characteristic for the first operating state control signal.
  • the spectral characteristic of light is exploited to avoid being misinterpreted as the first operating state control signal.
  • Fluorescent tubes in the near-infrared spectral range for example, emit comparatively weakly so that communication with near-infrared light can be largely trouble-free.
  • electrical energy is obtained from the first operating state control signal in a sensor node.
  • a sensor node can be externally powered with energy, for example, to charge its accumulator.
  • the sensor nodes are provided with means (for example a solar cell) for obtaining electrical energy from the first operating state control signal transmitted in the form of light.
  • the first operating state control signal is transmitted by means of directed sound waves.
  • the first operating state control signal may equally be transmitted by means of undirected sound waves in an acoustically demarcated environment.
  • a sensor node after receiving the first operating state control signal, a sensor node sends out an acknowledgment signal by means of an undirected radio transmission.
  • the first operating state control signal is particularly advantageously transmitted by a signal transmitter (for example, a mobile control device) in the form of a very short signal pulse and the time-resolved confirmation signal is received by the signal transmitter.
  • a signal transmitter for example, a mobile control device
  • the time-resolved confirmation signal is received by the signal transmitter.
  • a sensor node for a presettable first time period remains in the second operating state and is automatically put into the first operating state after the first period has expired.
  • Period for receiving control data by means of undirected radio transmission is activated.
  • a sensor node located in the second operating state is set to the first operating state upon receipt of a further first operating state control signal.
  • the sensor nodes of the sensor network can be switched from a third operating state to a first operating state by a second operating state control signal transmitted by undirected radio transmission, wherein the sensor nodes in the third operating state can not receive or at least can not process the first operating state control signal and first operating state can receive and process the first operating state control signal.
  • a sensor node remains in the first operating state for a presettable second period of time and is automatically put into the third operating state after the second period has expired.
  • an im first operating state located sensor node is placed on receiving a second operating state control signal in the third operating state. By means of this measure, it can be achieved that the sensor nodes only remain in the first operating state for a limited period of time.
  • the sensor function of sensor nodes can be switched on or off by the first operating state control signal, so that a sensor node which only wakes up during a relatively short period of time can advantageously be activated outside the intended sequence for the purpose of data key operation.
  • the first operating state control signal and / or the second operating state control signal is transmitted by a mobile control device as a signal generator, which offers the advantage of a very simple on-site configuration of sensor nodes.
  • the invention further extends to a sensor node of a sensor network, which is provided with at least one sensor for reading data, a communication device (transmitter-receiver) for transmitting data by means of undirected radio transmission and a microprocessor-based, program-controllable control device for controlling the sensor node is provided, in which the control device is adapted to carry out a method as described above.
  • a communication device transmitter-receiver
  • a microprocessor-based, program-controllable control device for controlling the sensor node is provided, in which the control device is adapted to carry out a method as described above.
  • Fig. 1 schematically illustrates a sensor network whose sensor nodes are configured with a mobile controller
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram for configuring the sensor nodes of the sensor network of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram for configuring the sensor nodes of the sensor network of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a sensor network denoted overall by the reference numeral 1.
  • Sensor network 1 comprises a plurality of sensor nodes with a same structure, of which only three adjacent sensor nodes 2-4 are shown in FIG.
  • the sensor nodes 2-4 are mounted at different locations, for example, an industrial large-scale system, which is not shown in detail in Fig. 1.
  • Each sensor node 2-4 contains in a housing 18 a plurality of measuring sensors (sensors) 5 which are capable of sensing measured values of physical or technical measured variables, in this case, for example, air temperature and air humidity. Furthermore, each sensor node 2-4 contains a program-controlled, microprocessor-based control device (CPU) 7 for controlling the functions of the sensor node. The CPU 7 cooperates with two memory devices, a random access memory (RAM) 8 and a non-volatile flash memory 9. Furthermore, each sensor node 2-4 is connected to a transceiver (transmitter-receiver) 6 for the transmission of data undirected radio transmission via a first radio antenna 13 provided. A transmission frequency for the radio transmission is for example 60 GHz.
  • each sensor node 2-4 is supplied with electrical energy.
  • the sensor nodes 2-4 of the sensor network 1 can exchange data with each other and with a base station (not shown in FIG. 1) or a mobile control unit 14 for configuring the sensor nodes by means of undirected radio transmission via the first radio antennas 13.
  • a configuration of the sensor nodes 2-4 can be carried out locally by the mobile control unit 14, which can communicate wirelessly with the sensor nodes 2-4 and is provided for this purpose with a transceiver, not shown, which allows a non-directional radio transmission via a second radio antenna 15 ,
  • the mobile control unit 14 is provided with a light beam generating means, here in the form of a laser diode 16, through which a visible laser beam 17 having a wavelength in a wavelength range of for example 640 nm to 660 nm can be generated.
  • a light beam generating means here in the form of a laser diode 16
  • a visible laser beam 17 having a wavelength in a wavelength range of for example 640 nm to 660 nm can be generated.
  • each sensor node 2-4 is provided with a light beam receiver device, here in the form of a photodiode 12, through which the laser beam 17 transmitted by the control device 14 can be received and converted into an electrical signal.
  • the photodiode 12 can be driven by a control interface 11 connected to the CPU 7 in terms of data technology.
  • the mobile control unit 14 If the mobile control unit 14 is positioned such that the laser beam 17 generated by the control unit 14 strikes the photodiode 12 of a desired sensor node, then the sensor node can be selectively addressed. In FIG. 1, this is illustrated by way of example for a first sensor node 2. An embodiment of the method according to the invention will now be described, reference being made in particular to FIG. 2.
  • a configuration of the sensor nodes 2-4 is carried out, which is described on the basis of a configuration of the first sensor node 2. All sensor nodes 2-4 are within radio range of the mobile controller 14.
  • the left boxes respectively relate to method steps executed by the mobile controller 14, whereas the right boxes respectively relate to method steps taken by the first sensor node 2 be executed.
  • the sensor nodes of the sensor network 1 are programmed to wake up only a few times for a few seconds per day, to sample data of measurements in this active state, and to send data to the base station via the active transceiver 6. Otherwise, the sensor nodes are in a passive state in which they do not scan data from measured variables and the transceiver 6 is inactive.
  • all the sensor nodes 2-4 at the beginning of the configuration are in a state (referred to as the third operating state in the introduction) in which their photodiodes 12 are inactivated, that is, no light-optical signals can be received and processed via the photodiodes 12.
  • the mobile control unit In order to configure the first sensor node 2, the mobile control unit first prepares, in a preliminary step by means of undirected radio transmission, a list of all sensor nodes 2-4 within radio range. Subsequently, in a further preparatory step by the mobile control unit 14 by means of undirected radio transmission via the second radio antenna 15, an undirected radio signal (in the 2) is sent to the sensor nodes 2-4, causing the sensor nodes 2-4 to be placed in a standby state (referred to as the first operating state in the introduction) for receiving a light optical signal, the photodiodes 12 of the sensor nodes 2-4 are activated for receiving a light-optical signal.
  • a laser beam 17 generated by the laser diode 16 of the mobile control device 14 is directed to the first sensor node 2, more precisely to its photodiode 12 (step A1). A precise impingement of the laser beam 17 on the photodiode 12 can be visually checked.
  • Control unit 12 can be effected via a push-button switch 19.
  • the first sensor node 2 receives the laser beam 17 with its photodiode 12 (step A2), with the result that the transceiver 6 is activated for a non-directional radio transmission of control data (here configuration data).
  • the laser beam 17 directed at the photodiode 12 of the first sensor node 2 and received by the photodiode 12 thus acts as a signal (referred to in the introduction to the description as the first operating state control signal), by which the first sensor node 2 is moved from its first operating state in which the first sensor node 2 Transceiver 6 is inactive, in a second operating state in which the transceiver 6 is activated, but the sensors are not activated, is offset.
  • the first sensor node 2 transmits an identification request (step B1) by means of uncontrolled radio transmission via its first radio antenna 13 as a request for the transmission of an identifier, which is transmitted via the second radio antenna.
  • antenna 15 of the transceiver of the mobile controller 14 is received (step B2).
  • the first sensor node 2 then sends by means of unreported radio transmission via its first radio antenna 13 an identifier stored in the flash memory 9 (step Cl), which is received by the transceiver of the mobile control device 14 via the second radio antenna 15 (step C2).
  • step D1 This triggers that the mobile control unit 14 transmits a sensor node specification via its second radio antenna 15 by means of uncontrolled radio transmission (step D1), in which it is determined which sensors are to be active.
  • the first sensor node 2 is assigned a selectable measuring location.
  • the sensor node specification is received by the first sensor node 2 (step D2), the data transmitted thereby being stored in the flash memory 9.
  • the first sensor node 2 can be configured selectively in the field in a simple manner, without the risk that a second sensor node 3 or a third sensor node 4, which are both in radio range, are addressed inadvertently.
  • a configuration of the second or third sensor node can be carried out in a similar manner as the configuration of the first sensor node 2. All that is required for this is that the laser beam 17 generated by the control device is directed onto the photodiode 12 of the sensor node to be configured, as a result of which the transceiver 6 of the respective sensor node is activated. All further steps are carried out in an analogous manner, as explained above for the first sensor node 2. Numerous modifications can be made in the illustrated embodiment of the inventive method.
  • control unit 14 instead of a light-optical signal generated by a laser diode 16, to generate a directed electromagnetic radiation of different frequency, for example a radar signal radiated by a radar antenna or a directional radio signal radiated by means of a directional radio antenna, which is to be configured
  • Sensor node is directed to enable a sensor node from the first operating state to the second operating state.
  • a directional radio signal could be received by the first radio antennas 13 of the sensor nodes 2-4 or, alternatively, by separate radio antennas.
  • control unit 14 may generate a directional sound signal by means of an acoustic signal generator, which signal is to be configured on the one to be configured
  • Sensor node is directed to enable a sensor node from the first operating state to the second operating state.
  • the sensor nodes would be provided for this purpose with acoustoelectronic transducers for receiving the sound waves and converting them into electrical signals.
  • the sensor nodes could be switched from the first operating state into the second operating state not by directed electromagnetic radiation but by means of undirected (diffuse) electromagnetic radiation.
  • the prerequisite for this is that the selectively configuring sensor nodes are located within an environment spatially delimiting the electromagnetic radiation.
  • the sensor nodes could each individually in a visually dense environment.
  • the sensor nodes could each be selectively offset from the first operating state to the second operating state, for example, by a diffuse ceiling lighting.
  • the diffused light could be received and processed via the photodiodes 12.
  • a plurality of sensor nodes to be put into the second operating state by diffused light.
  • the sensor nodes 2-4 could continue with
  • Means are provided for determining a spectral property of the diffuse ceiling lighting, wherein a sensor node is placed in the second operating state only if the spectral characteristic of the ceiling lighting coincides with a presettable spectral property.
  • the light could be modulated with a signal identifier, wherein the sensor nodes are only moved from the first operating state to the second operating state, if the signal identifier coincides with a preset signal identifier.
  • the sensor nodes 2-4 could each be equipped with a photodiode, by which electrical energy can be obtained from the incident light.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks (1) mit einer Mehrzahl Sensorknoten (2-4), welche zur Datenübermittlung mittels ungerichteter Funkübertragung geeignet eingerichtet sind, bei welchem eine zumindest einen Sensorknoten (2) enthaltende Auswahlmenge durch ein räumlich abgegrenztes erstes Betriebszustandssteuersignal (17) selektiv von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand versetzt werden kann, wobei die Sensorknoten (2-4) im ersten Betriebszustand Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können und im zweiten Betriebszustand Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung empfangen und verarbeiten können. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein zur Durchführung des Verfahrens geeignet eingerichteten Sensorknoten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks und Sensorknoten
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Netzwerktechnik und betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks und einen Sensorknoten eines zur Durchführung des Verfahrens geeignet eingerichteten Sensornetzwerks.
Sensornetzwerke werden zunehmend für vielfältige Überwachungsaufgaben ("Monitoring") in komplexen Umgebungen, wie industrielle Großanlagen, Kraftwerke, Schiffe, Flugzeuge und Fahrzeuge, eingesetzt. In der Anwendung erweisen sich draht- lose Sensornetzwerke mit einer Mehrzahl drahtlos kommunizierender Sensorknoten als besonders praktisch, da die Sensorknoten wahlfrei an verschiedenen Stellen platziert werden können .
Drahtlose Sensornetzwerke werden von einem Netzwerkmanagement verwaltet, das in der Regel in einer drahtlos mit den Sensorknoten kommunizierenden Steuerstation ("Basisstation") implementiert ist. Die von den Sensorknoten getasteten Daten werden an die Steuerstation übertragen und können von dort an eine mit der Basisstation datentechnisch verbundene Datenverarbeitungseinrichtung zur weiteren Verarbeitung übermittelt werden .
In der Regel können die Sensorknoten untereinander und mit der Basisstation drahtlos kommunizieren, was typischer Weise mittels ungerichteter Funkübertragung erfolgt. Befindet sich ein Sensorknoten hierbei außerhalb der Funkreichweite zur Basisstation, können Daten im Multi-Hop-Verfahren über mehrere Sensorknoten zur Steuerstation geleitet werden. Jeder Sensorknoten des Sensornetzwerks umfasst zumindest einen Messfühler zum Tasten von Messwerten physikalischer bzw. technischer Messgrößen, wie beispielsweise Lufttemperatur oder Luftdruck, eine Kommunikationseinrichtung zur Datenüber- mittlung mittels ungerichteter Funkübertragung, eine mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung (CPU = (Central P_rocessing Unit) zur Steuerung des Sensorknotens, sowie eine autonome Energieversorgung in Form einer Batterie oder eines aufladbaren Akkumulators.
Um ein Sensornetzwerk zu installieren, ist es erforderlich, dass die Sensorknoten konfiguriert werden - gemeinhin als "Engineering" des Sensornetzwerks bezeichnet. Bei der Konfiguration eines Sensorknotens wird diesem eine Identität zuge- ordnet, das heißt, eine logische Kennung, unter der der Sensorknoten im Netzwerk identifizier- und ansprechbar ist. Die Identität eines Sensorknoten stellt eine Verbindung zu seiner Hardware-Adresse (zum Beispiel MAC-Adresse) dar. Zudem wird einem Sensorknoten bei der Konfiguration die gewünschte Funk- tionalität zugewiesen, das heißt eine oder mehrere spezifische Funktionen, die der Sensorknoten an einem vorgebbaren Ort ausführen soll. Des Weiteren wird der Sensorknoten bei der Konfiguration in das das Sensornetzwerk verwaltende Netzwerkmanagement eingetragen (angemeldet) .
Ist ein Sensornetzwerk installiert, können die konfigurierten Sensorknoten selektiv angesprochen werden. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass mithilfe eines drahtlos kommunizierenden mobilen Steuergeräts, beispielsweise in Form eines PDA (PDA = Personal Ddgital Assistant) , mit den Sensorknoten selektiv vor Ort kommuniziert wird. Ein solches Steuergerät wird auch als Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI = Human Machine Interface) bezeichnet.
Nun hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Konfiguration der Sensorknoten mit einem erheblichen Arbeitsaufwand bei der Installation und der Wartung von drahtlosen Sensornetzwerken verbunden ist. Da eine eindeutige Zuordnung von Datenverkehr zwischen einem bestimmten Sensorknoten und einem mobilen Steuergerät nur mit konfigurierten Sensorknoten möglich ist, kann ein nicht konfigurierter Sensorknoten mittels ungerich- teter Funkübertragung nur dann selektiv angesprochen werden, wenn sichergestellt ist, dass sich kein weiterer Sensorknoten in Funkreichweite befindet. Aus diesem Grund werden Sensorknoten bislang außerhalb der Funkreichweite zu anderen Sen- sorknoten über ein Programmierboard mittels ungerichteter
Funkübertragung konfiguriert, da vor Ort die Gefahr besteht, dass weitere in Funkreichweite befindliche Sensorknoten angesprochen werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch umständlich und birgt zudem die Gefahr, dass die Sensorknoten nach Konfi- guration verwechselt und an falschen (nicht vorgesehenen)
Montagestellen montiert werden. Eine Kontrolle, ob ein Sensorknoten am vorgesehenen Ort montiert wurde, ist nur indirekt über eine Erfassung von Messgrößen möglich. Um insbesondere eine Montage von Sensorknoten an falschen Orten zu ver- meiden, wäre es wünschenswert, wenn die Konfiguration der
Sensorknoten unter Einsatz eines mobilen Steuergeräts mittels ungerichteter Funkübertragung vor Ort erfolgen könnte.
In bereits installierten Sensornetzwerken tritt gelegentlich der Fall auf, dass Sensorknoten repariert oder ausgetauscht werden müssen, sei es, dass ein Messfühler ausgefallen ist, sei es, dass die Batterie leer ist. Diese Wartungsmaßnahme erfordert in der Regel ein neuerliches oder erstmaliges Konfigurieren des reparierten oder ausgetauschten Sensorknotens, was jedoch wegen der oben aufgezeigten Problematik nicht vor Ort erfolgen kann. Bei ausgedehnten Sensornetzwerken, beispielsweise in industriellen Großanlagen, kann dies unter Umständen dazu führen, dass der Servicetechniker sehr weite Wegstrecken zurücklegen muss, um den Sensorknoten außerhalb der Funkreichweite anderer Sensorknoten zu konfigurieren, wodurch in unnötiger Weise Arbeitszeit vergeudet wird. Insbe- sondere für den Fall, dass ein Sensorknoten bereits durch eine einfache Maßnahme vor Ort wieder in einen funktionsfähigen Zustand gebracht werden kann, beispielsweise durch Austausch eines Messfühlers oder der Batterie, welche gegebenenfalls auch ohne eine Demontage des Sensorknotens durchgeführt werden kann, wäre es wünschenswert, wenn die Konfiguration des Sensorknotens mittels ungerichteter Funkübertragung selektiv vor Ort durchgeführt werden könnte.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks zur Verfügung zu stellen, welches eine selektive Konfiguration eines Sensorknotens mittels ungerichteter Funkübertragung auch dann ermöglicht, wenn sich weitere Sensor- knoten in Funkreichweite befinden.
Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks mit den Merkmalen der unabhängigen Patentan- sprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks gezeigt. Ein zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens geeignetes Sensornetzwerk umfasst eine Mehrzahl drahtlos kommunizierender Sensorknoten. Diese können, gesteuert durch ein im Sensornetzwerk implementiertes Netzwerkmanagement, untereinander und mit einer Basisstation drahtlos Daten austauschen. Die von den Sensorknoten getaste- ten Daten können an die Basisstation übertragen und dort analysiert oder an eine weitere Datenverarbeitungseinrichtung zu deren Verarbeitung übermittelt werden.
Jeder Sensorknoten des Sensornetzwerks umfasst wenigstens ei- nen Messfühler zum Tasten von Messwerten physikalischer bzw. technischer Messgrößen, eine Kommunikationseinrichtung zur Datenübermittlung mittels ungerichteter Funkübertragung zwischen dem Sensorknoten und anderen Sensorknoten bzw. der Basisstation, eine mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung zur Steuerung der Funktionalität des Sensorknotens, sowie eine autonome Energieversorgung in Form einer Batterie bzw. eines aufladbaren Akkumulators.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Sensornetzwerks zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass eine zumindest einen Sensorknoten enthaltende Auswahlmenge von Sensorknoten des Sensornetzwerks durch ein von einem Signalgeber erzeugtes, drahtlos übermitteltes erstes Betriebszu- standssteuersignal, das räumlich so ein- bzw. abgegrenzt ist, dass es nur auf die in der Auswahlmenge enthaltenen Sensor- knoten trifft, selektiv von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand versetzt werden kann.
Die Sensorknoten sind so eingerichtet, dass sie nur im zweiten Betriebszustand mittels ungerichteter Funkübertragung Steuerdaten empfangen und verarbeiten können, wohingegen sie im ersten Betriebszustand mittels ungerichteter Funkübertragung Steuerdaten nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können. Da Sensorknoten oftmals nur wenige Male für einige Sekunden pro Tag aufwachen und sich ansonsten in einem Energie sparenden Standby-Zustand befinden, kann das erste
Betriebszustandssteuersignal als Wecksignal dienen, um einen Sensorknoten außerhalb der vorgesehenen Reihenfolge zu wecken .
Das erste Betriebszustandssteuersignal dient einer Steuerung von Betriebszuständen der Sensorknoten, das heißt einem Umschalten der möglichen Betriebszustände der Sensorknoten. Das erste Betriebszustandssteuersignal unterscheidet sich deshalb in seiner Eigenart von Sensordaten, die zwischen den Sensor- knoten bzw. zwischen einem Sensorknoten und der Basisstation übertragen werden. Die mittels ungerichteter Funkübertragung an die Sensorknoten übertragenen Steuerdaten dienen zur Steuerung der Funktionalität eines Sensorknoten, wobei durch die Steuerdaten insbe- sondere die eingangs erläuterte Konfiguration eines Sensorknotens, das heißt die Zuweisung einer Identität und die Eintragung eines Sensorknoten in das Netzwerkmanagement, erfolgen kann. Die Steuerdaten unterscheiden sich somit in ihrer Eigenart vom ersten Betriebszustandssteuersignal und von Sen- sordaten, die zwischen den Sensorknoten bzw. zwischen einem Sensorknoten und der Basisstation übertragen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht erstmals eine selektive Übertragung von Steuerdaten an einen bereits an einem vorgebbaren Ort (Montagestelle) montierten, jedoch noch nicht konfigurierten Sensorknoten mittels ungerichteter Funkübertragung, beispielsweise um den Sensorknoten vor Ort zu konfigurieren, ohne dass hierbei die Gefahr besteht, dass weitere Sensorknoten in Funkreichweite der Funkübertragung angespro- chen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Betriebszustandssteuersignal mittels gerichteter elektromagnetischer Strahlung gesendet, bei der es sich beispielsweise um eine Übertragung gerichteter Radarsignale oder eine Übertragung gerichteter Funksignale (Richtfunk) , zum Beispiel bei einer Frequenz von 60 GHz, oder eine Übertragung gerichteter lichtoptischer Signale (Lichtstrahlung) im sichtbaren Wellenlängenbereich handeln kann.
Erfolgt eine Übertragung des ersten Betriebszustandssteuer- signals beispielsweise mittels Richtfunk kann die Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Funkübertragung der Sensorknoten auch zum Empfang des ersten Betriebszustandssteuersig- nals eingesetzt werden. Alternativ ist es möglich, dass die
Sensorknoten mit einer separaten Empfangseinrichtung zum Emp- fang des mittels Richtfunk übertragenen, ersten Betriebszu- standssteuersignals versehen sind.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ermöglicht eine be- sonders einfache technische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die von einem Signalgeber, beispielsweise einem mobilen Steuergerät, erzeugte elektromagnetische Strahlung in einfacher Weise auf einen wählbaren Sensorknoten gerichtet werden kann, um den Sensorknoten selektiv vom ers- ten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand zu versetzen .
Falls das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten lichtoptischen Signals, beispielsweise in Form eines Laserstrahls oder gebündelten Lichtstrahls, übertragen wird, kann in vorteilhafter Weise ein Auftreffen des gerichteten lichtoptischen Signals auf den gewählten Sensorknoten optisch überprüft werden.
Bei einer herzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Betriebszustandssteuersignal anstelle einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung mittels ungerichteter (diffuser) elektromagnetischer Strahlung gesendet, wobei die elektromagnetische Strahlung innerhalb einer die elektromagnetische Strahlung räumlich abgrenzenden Umgebung gesendet wird, so dass die elektromagnetische Strahlung auch in diesem Fall räumlich begrenzt ist und die innerhalb der räumlich abgegrenzten Umgebung befindlichen Sensorknoten selektiv vom ersten Betriebszustand in den zweiten Be- triebszustand versetzt werden können.
Beispielsweise wird das erste Betriebszustandssteuersignal mittels diffusen Lichts (zum Beispiel eine Deckenbeleuchtung) in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet, wodurch alle innerhalb der optisch abgegrenzten Umgebung befindlichen Sen- sorknoten selektiv in den zweiten Betriebszustand versetzt werden .
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ermöglicht eine weitere besonders einfache technische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die innerhalb der optisch abgegrenzten Umgebung befindlichen Sensorknoten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand versetzt werden können. Eine optisch abgegrenzte Umgebung ist dann realisiert, wenn eine gewünschte Auswahlmenge von Sensorknoten gegenüber Sensorknoten optisch abgeschirmt ist.
Für den Fall, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten Lichtstrahls oder alternativ in Form ungerichteten (diffusen) Lichts in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird sind die Sensorknoten zum Empfang des lichtoptischen Signals mit einem optoelektronischen Wandler (z. B. Photodiode) versehen.
Für den Fall, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten Lichtstrahls oder alternativ in Form ungerichteten (diffusen) Lichts in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird, kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn das erste Betriebszustandssteuersignal mit einer wählba- ren Steuersignalkennung moduliert wird, welche von einem das erste Betriebszustandssteuersignal empfangenden Sensorknoten demoduliert werden kann. Die Sensorknoten sind hierbei so eingerichtet, dass ein Sensorknoten nur dann in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Betriebszu- Standssteuersignal mit der Steuersignalkennung versehen ist, und nicht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Betriebszustandssteuersignal nicht mit der Steuersignalkennung versehen ist. Durch eine solche Modulation kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass zufällige Lichtschwankungen oder auch regelmäßige Lichtmodulationen, wie sie beispielsweise für Leuchtstoffröhren typisch sind, als erstes Betriebszustandssteuersignal fehlinterpretiert werden. So findet eine Modulation des Lichts von Leuchtstoffröhren bei bestimmten Frequenzen statt. Wird das Licht auf einen Subträger mit einer davon verschiedenen Frequenz aufmo- duliert, kann dieses störungsfrei empfangen und demoduliert werden. Ein weiteres hierfür geeignetes Verfahren ist beispielsweise CDMA (Code Division Multiple Access) .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird anstelle einer aufmodulierten
Signalkennung eine spektrale Eigenschaft des ersten Betriebs- zustandssteuersignals ermittelt, wobei ein Sensorknoten nur dann in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale Eigenschaft des ersten Betriebszustandssteuersig- nals einer voreinstellbaren spektralen Eigenschaft für das erste Betriebszustandssteuersignal entspricht, und andernfalls nicht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale Eigenschaft des ersten Betriebszustands- steuersignals der voreinstellbaren spektralen Eigenschaft für das erste Betriebszustandssteuersignal nicht entspricht. In diesem Fall wird die spektrale Charakteristik von Licht ausgenutzt, um zu vermeiden, dass dieses als erstes Betriebszustandssteuersignal fehlinterpretiert wird. So emittieren beispielsweise Leuchtstoffröhren im nah-infraroten Spektralbe- reich vergleichsweise schwach, so dass eine Kommunikation mit nah-infrarotem Licht weitgehend störungsfrei erfolgen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Sensorknoten elektri- sehe Energie aus dem ersten Betriebszustandssteuersignal gewonnen. Dies hat den Vorteil, dass ein Sensorknoten von extern mit Energie gespeist werden kann, um beispielsweise seinen Akkumulator zu laden. Die Sensorknoten sind zu diesem Zweck mit Mitteln (z. B. Solarzelle) zum Gewinnen von elekt- rischer Energie aus dem in Form von Licht übermittelten ersten Betriebszustandssteuersignals versehen. Wird das erste Betriebszustandssteuersignal zum Beispiel in Form eines mit einer Signalkennung modulierten, gerichteten Lichtstrahls übertragen, so kann der DC-Anteil (DC = p_irect Current) des Lichtstroms zur Erzeugung elektrischer Energie und dessen AC- Anteil (AC = Alternating Current) zur Informationsübermittlung benutzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Betriebszustandssteu- ersignal mittels gerichteter Schallwellen gesendet. Alternativ hierzu kann das erste Betriebszustandssteuersignal gleichermaßen mittels ungerichteter Schallwellen in einer akustisch abgegrenzten Umgebung gesendet werden. Hierdurch ist eine weitere einfache technische Realisierung des erfindungs- gemäßen Verfahrens ermöglicht. Die Sensorknoten sind in diesem Fall für einen Empfang des akustischen Signals mit einem akustoelektronischen Wandler versehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens sendet ein Sensorknoten nach Empfang des ersten Betriebszustandssteuersignals ein Bestätigungssignal mittels ungerichteter Funkübertragung aus. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass ein Sensorknoten tatsächlich vom ersten Betriebszustand in den zweiten Be- triebszustand versetzt worden ist, um anschließend mittels ungerichteter Funkübertragung beispielsweise eine Konfiguration des Sensorknotens durchzuführen. Besonders vorteilhaft wird das erste Betriebszustandssteuersignal hierbei von einem Signalgeber (beispielsweise ein mobiles Steuergerät) in Form eines sehr kurzen Signalpulses gesendet und das Bestätigungssignal zeitaufgelöst vom Signalgeber empfangen. Durch diese Maßnahme kann in vorteilhafter Weise unterschieden werden, ob das erste Betriebszustandsteuersignal auf direktem Wege oder indirekt infolge Reflexionen einen Sensorknoten erreicht hat. Beispielsweise wird zu diesem Zweck vom Signalgeber ausschließlich das zuerst empfangene Bestätigungssignal verar- beitet und später eintreffende Bestätigungssignale verworfen. Hierbei kann insbesondere auch die an sich bekannte Technik der Spreizspektrenmodulation angewendet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbleibt ein Sensorknoten für einen voreinstellbaren ersten Zeitraum im zweiten Betriebszustand und wird nach Ablauf des ersten Zeitraums selbsttätig in den ersten Betriebszustand versetzt. Hierdurch kann erreicht wer- den, dass ein Sensorknoten lediglich für einen wählbaren
Zeitraum zum Empfang von Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung aktiviert ist.
Bei einer hierzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsge- mäßen Verfahrens wird ein im zweiten Betriebszustand befindlicher Sensorknoten bei Empfang eines weiteren ersten Be- triebszustandssteuersignals in den ersten Betriebszustand versetzt. Durch diese Maßnahme kann ein Sensorknoten in einfacher Weise für den Empfang von Steuerdaten mittels unge- richteter Funkübertragung inaktiviert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Sensorknoten des Sensornetzwerks durch ein mittels ungerichteter Funkübertragung übertragenes zweites Betriebszustandssteuersignal von einem dritten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand versetzt werden, wobei die Sensorknoten im dritten Betriebszustand das erste Betriebszustandssteuersignal nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können und im ersten Be- triebszustand das erste Betriebszustandssteuersignal empfangen und verarbeiten können. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorteilhaft sein, wenn ein Sensorknoten für einen voreinstellbaren zweiten Zeitraum im ersten Betriebszustand verbleibt und nach Ablauf des zweiten Zeitraums selbsttätig in den dritten Betriebszustand versetzt wird. Gleichermaßen ist es alternativ möglich, dass ein im ersten Betriebszustand befindlicher Sensorknoten bei Empfang eines zweiten Betriebszustandssteuersignals in den dritten Betriebszustand versetzt wird. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass die Sensorknoten nur für einen begrenzten Zeitraum im ersten Betriebszustand verbleiben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Sensorfunktion von Sensorknoten durch das erste Betriebszustandssteuersignal ein- oder ausgeschaltet werden, so dass ein lediglich während relativ kurzer Zeitspannen aufwachender Sensorknoten in vorteilhafter Weise außerhalb der vorgesehenen Reihenfolge zum Tasten von Daten aktiviert werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erste Betriebszustandsteuersignal und/oder das zweite Betriebszustandssteuersignal von einem mobilen Steuergerät als Signalgeber ausgesendet, was den Vorteil einer sehr einfachen Vor-Ort-Konfiguration von Sensorknoten bietet.
Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf einen Sensorknoten eines Sensornetzwerks, welcher mit wenigstens einem Messfühler (Sensor) zum Tasten von Daten, einer Kommunikationsein- richtung (Sender-Empfänger) zur Übermittlung von Daten mittels ungerichteter Funkübertragung und einer mikroprozessorbasierten, programmsteuerbaren Steuereinrichtung zur Steuerung des Sensorknotens versehen ist, bei dem die Steuereinrichtung zur Durchführung eines wie oben beschriebenen Ver- fahrens geeignet eingerichtet ist.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Figuren genommen wird. Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Weise ein Sensornetzwerk, dessen Sensorknoten mit einem mobilen Steuergerät konfiguriert werden;
Fig. 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zur Konfiguration der Sensorknoten des Sensornetzwerks von Fig. 1.
In Figur 1 ist in schematischer Weise ein insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnetes Sensornetzwerk dargestellt. Das
Sensornetzwerk 1 umfasst eine Mehrzahl Sensorknoten mit einem gleichen Aufbau, von denen in Fig. 1 lediglich drei benachbarte Sensorknoten 2-4 dargestellt sind. Die Sensorknoten 2-4 sind an verschiedenen Orten beispielsweise einer industriel- len Großanlage montiert, was in Fig. 1 nicht näher dargestellt ist.
Jeder Sensorknoten 2-4 enthält in einem Gehäuse 18 mehrere Messfühler (Sensoren) 5, die in der Lage sind, Messwerte von physikalischen bzw. technischen Messgrößen, hier beispielsweise Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, zu tasten. Weiterhin enthält jeder Sensorknoten 2-4 eine programmgesteuerte, mikroprozessorbasierte Steuereinrichtung (CPU) 7 zur Steuerung der Funktionen des Sensorknotens. Die CPU 7 wirkt mit zwei Speichereinrichtungen zusammen, einem flüchtigen Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory) 8 und einem nichtflüchtigen Flash-Speicher 9. Des Weiteren ist jeder Sensorknoten 2-4 mit einem Transceiver (Sender-Empfänger) 6 zur Übermittlung von Daten mittels ungerichteter Funkübertragung über eine erste Funkantenne 13 versehen. Eine Übertragungsfrequenz für die Funkübertragung beträgt beispielsweise 60 GHz. Über eine autonome Energieversorgung in Form einer Batterie 10 wird jeder Sensorknoten 2-4 mit elektrischer Energie versorgt . Die Sensorknoten 2-4 des Sensornetzwerks 1 können untereinander und mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Basisstation bzw. einem mobilen Steuergerät 14 zur Konfiguration der Sensorknoten mittels ungerichteter Funkübertragung über die ers- ten Funkantennen 13 Daten austauschen.
Eine Konfiguration der Sensorknoten 2-4 kann vor Ort durch das mobile Steuergerät 14 erfolgen, das mit den Sensorknoten 2-4 drahtlos kommunizieren kann und zu diesem Zweck mit einem nicht näher dargestellten Transceiver versehen ist, der eine ungerichtete Funkübertragung über eine zweite Funkantenne 15 ermöglicht .
Um einen Sensorknoten selektiv anzusprechen, ist das mobile Steuergerät 14 mit einer Lichtstrahlerzeugungseinrichtung, hier in Form einer Laserdiode 16, versehen, durch welche ein sichtbarer Laserstrahl 17 mit einer Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von beispielsweise 640 nm bis 660 nm erzeugt werden kann.
In entsprechender Weise ist jeder Sensorknoten 2-4 mit einer Lichtstrahlempfängereinrichtung, hier in Form einer Photodiode 12, versehen, durch welche der vom Steuergerät 14 gesendeter Laserstrahl 17 empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Die Photodiode 12 kann von einer datentechnisch mit der CPU 7 verbundenen Kontrollschnittstelle (Control Interface) 11 angesteuert werden.
Wird das mobile Steuergerät 14 so positioniert, dass der vom Steuergerät 14 erzeugte Laserstrahl 17 auf die Photodiode 12 eines gewünschten Sensorknotens trifft, so kann der Sensorknoten selektiv angesprochen werden. In Fig. 1 ist dies beispielhaft für einen ersten Sensorknoten 2 dargestellt. Es wird nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei insbesondere Bezug auf Fig. 2 genommen wird.
In dem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Konfiguration der Sensorknoten 2-4, die anhand einer Konfiguration des ersten Sensorknoten 2 beschrieben wird. Alle Sensorknoten 2-4 befinden sich in Funkreichweite zum mobilen Steuergerät 14. In dem schematischen Ablaufdiagramm von Fig. 2 betreffen die linken Kästchen jeweils Verfahrensschritte, die vom mobilen Steuergerät 14 ausgeführt werden, wohingegen die rechten Kästchen jeweils Verfahrensschritte betreffen, die vom ersten Sensorknoten 2 ausgeführt werden.
Die Sensorknoten des Sensornetzwerks 1 sind so programmiert, dass sie lediglich wenige Male für einige Sekunden pro Tag aufwachen, in diesem aktiven Zustand Daten von Messgrößen tasten und die Daten über den aktiven Transceiver 6 an die Basisstation senden. Ansonsten befinden sich die Sensorknoten in einem passiven Zustand, in dem sie keine Daten von Messgrößen tasten und der Transceiver 6 inaktiv ist.
Zudem befinden sich alle Sensorknoten 2-4 zu Beginn der Konfiguration in einem Zustand (in der Beschreibungseinleitung als dritter Betriebszustand bezeichnet) , in dem deren Photodioden 12 inaktiviert sind, das heißt, es können keine lichtoptischen Signale über die Photodioden 12 empfangen und verarbeitet werden.
Um den ersten Sensorknoten 2 zu konfigurieren, erstellt das mobile Steuergerät zunächst in einem vorbereitenden Schritt mittels ungerichteter Funkübertragung eine Liste aller in Funkreichweite befindlichen Sensorknoten 2-4. Anschließend wird in einem weiteren vorbereitenden Schritt vom mobilen Steuergerät 14 mittels ungerichteter Funkübertragung über die zweite Funkantenne 15 ein ungerichtetes Funksignal (in der Beschreibungseinleitung als zweites Betriebszustandssteuer- signal bezeichnet) an die Sensorknoten 2-4 gesendet, durch welches bewirkt wird, dass die Sensorknoten 2-4 in einen Bereitschaftszustand (in der Beschreibungseinleitung als erster Betriebszustand bezeichnet) zum Empfangen eines lichtoptischen Signals versetzt werden, wobei die Photodioden 12 der Sensorknoten 2-4 für einen Empfang eines lichtoptischen Signals aktiviert werden.
Anschließend wird ein von der Laserdiode 16 des mobilen Steuergeräts 14 erzeugter Laserstrahl 17 auf den ersten Sensorknoten 2, genauer auf dessen Photodiode 12, gerichtet (Schritt Al). Ein zielgenaues Auftreffen des Laserstrahls 17 auf die Photodiode 12 kann optisch überprüft werden. Die Er- zeugung eines Laserstrahls 17 durch die Laserdiode 16 des
Steuergeräts 12 kann über einen Tastschalter 19 bewirkt werden .
Der erste Sensorknoten 2 empfängt den Laserstrahl 17 mit sei- ner Photodiode 12 (Schritt A2), was zur Folge hat, dass der Transceiver 6 für eine ungerichtete Funkübermittlung von Steuerdaten (hier Konfigurationsdaten) aktiviert wird. Der auf die Photodiode 12 des erste Sensorknotens 2 gerichtete und von der Photodiode 12 empfangene Laserstrahl 17 wirkt so- mit als Signal (in der Beschreibungseinleitung als erstes Be- triebszustandssteuersignal bezeichnet) , durch das der erste Sensorknoten 2 von seinem ersten Betriebszustand, in dem der Transceiver 6 inaktiv ist, in einen zweiten Betriebszustand, in dem der Transceiver 6 aktiviert ist, aber die Sensoren nicht aktiviert sind, versetzt wird.
Anschließend sendet der erste Sensorknoten 2 mittels unge- richteter Funkübertragung über seine erste Funkantenne 13 eine Identifikationsanfrage (Schritt Bl) als Aufforderung zur Übermittlung eines Identifikators, die über die zweite Funk- antenne 15 des Transceivers des mobilen Steuergeräts 14 empfangen wird (Schritt B2) .
Daraufhin sendet der erste Sensorknoten 2 mittels ungerichte- ter Funkübertragung über dessen erste Funkantenne 13 einen im Flash-Speicher 9 gespeicherten Identifikator (Schritt Cl), welcher vom Transceiver des mobilen Steuergeräts 14 über die zweite Funkantenne 15 empfangen wird (Schritt C2).
Dies löst aus, dass das mobile Steuergerät 14 mittels unge- richteter Funkübertragung über dessen zweite Funkantenne 15 eine Sensorknoten-Spezifikation sendet (Schritt Dl), in der festgelegt ist, welche Messfühler aktiv sein sollen. Zudem wird dem ersten Sensorknoten 2 ein wählbarer Messort zugewie- sen. Die Sensorknoten-Spezifikation wird vom ersten Sensorknoten 2 empfangen (Schritt D2), wobei die hierbei übertragenen Daten im Flash-Speicher 9 gespeichert werden.
Durch den beschriebenen Ablauf kann der erste Sensorknoten 2 in einfacher Weise selektiv vor Ort konfiguriert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass ein zweiter Sensorknoten 3 oder ein dritter Sensorknoten 4, welche sich beide in Funkreichweite befinden versehentlich angesprochen werden.
Eine Konfiguration des zweiten oder dritten Sensorknotens kann in entsprechender Weise wie die Konfiguration des ersten Sensorknotens 2 erfolgen. Es ist hierzu lediglich erforderlich, dass der vom Steuergerät erzeugte Laserstrahl 17 auf die Photodiode 12 des zu konfigurierenden Sensorknotens ge- richtet wird, wodurch der Transceiver 6 des jeweiligen Sensorknotens aktiviert wird. Alle weiteren Schritte werden in analoger Weise, wie oben für den ersten Sensorknoten 2 erläutert, durchgeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden .
So wäre es beispielsweise möglich, dass vom Steuergerät 14 anstelle eines von einer Laserdiode 16 erzeugten lichtoptischen Signals eine gerichtete elektromagnetische Strahlung hiervon verschiedener Frequenz, beispielsweise ein mittels einer Radarantenne abgestrahltes Radarsignal oder ein mittels einer Richtfunkantenne abgestrahltes Richtfunksignal, erzeugt wird, das auf den zu konfigurierenden Sensorknoten gerichtet wird, um einen Sensorknoten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand zu versetzen. So könnte beispielsweise ein Richtfunksignal von den ersten Funkantennen 13 der Sensorknoten 2-4 oder alternativ hierzu von separaten Funkantennen empfangen werden.
Weiterhin wäre es alternativ möglich, dass vom Steuergerät 14 mittels eines akustischen Signalgebers ein gerichtetes Schallsignal erzeugt wird, das auf den zu konfigurierenden
Sensorknoten gerichtet wird, um einen Sensorknoten vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand zu versetzen. Die Sensorknoten wären zu diesem Zweck mit akustoelektroni- schen Wandlern zum Empfangen der Schallwellen und deren Um- Wandlung in elektrische Signale zu versehen.
Weiterhin wäre es alternativ möglich, dass die Sensorknoten nicht durch gerichtete elektromagnetische Strahlung, sondern mittels ungerichteter (diffuser) elektromagnetischer Strah- lung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand versetzt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass sich die selektiv konfigurierenden Sensorknoten innerhalb einer die elektromagnetische Strahlung räumlich abgrenzenden Umgebung befinden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wäre für eine separate Konfiguration der Sensorknoten bei einer lichtoptischen Signalgebung erforderlich, dass sich die Sensorknoten jeweils einzeln in einer optisch dichten Umgebung befinden. In diesem Fall könnten die Sensorknoten jeweils selektiv beispielsweise durch eine diffuse Deckenbeleuchtung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand versetzt wer- den. Das diffuse Licht könnte über die Photodioden 12 empfangen und verarbeitet werden. Gleichermaßen wäre es möglich, dass eine Mehrzahl Sensorknoten durch diffuses Licht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird.
In diesem Fall könnten die Sensorknoten 2-4 weiterhin mit
Mitteln zum Bestimmen einer spektralen Eigenschaft der diffusen Deckenbeleuchtung versehen sein, wobei ein Sensorknoten nur dann in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, wenn die spektrale Eigenschaft der Deckenbeleuchtung mit einer voreinstellbaren spektralen Eigenschaft übereinstimmt. Alternativ hierzu könnte das Licht mit einer Signalkennung moduliert werden, wobei die Sensorknoten nur dann vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand versetzt werden, falls die Signalkennung mit einer voreingestellten Signalken- nung übereinstimmt. Weiterhin könnten die Sensorknoten 2-4 jeweils mit einer Photodiode ausgerüstet sein, durch welche elektrische Energie aus dem auftreffenden Licht gewonnen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Sensornetzwerks (1) mit einer Mehrzahl Sensorknoten (2-4), welche zur Daten- Übermittlung mittels ungerichteter Funkübertragung geeignet eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest einen Sensorknoten (2) enthaltende Auswahlmenge durch ein räumlich abgegrenztes erstes Betriebszustandssteuersignal (17) selektiv von einem ersten Betriebszustand in einen zwei- ten Betriebszustand versetzt werden kann, wobei die Sensorknoten (2-4) im ersten Betriebszustand Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können und im zweiten Betriebszustand Steuerdaten mittels ungerichteter Funkübertragung empfangen und verarbeiten können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form gerichteter elektromagnetischer Strahlung gesendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form gerichteter Funkübertragung gesendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form eines gerichteten Lichtstrahls (17) gesendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form einer diffusen elektromagnetischen Strahlung in einer die elektromagnetische Strahlung räumlich abgrenzenden Umgebung gesendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal in Form einer diffusen Lichtübertragung in einer optisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal mit einer wählbaren Steuersignalkennung moduliert wird, welche von einem das erste Betriebszustandssteuersignal empfangenden Sensorknoten demoduliert wird, wobei ein Sensorknoten in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Be- triebszustandssteuersignal mit der Steuersignalkennung versehen ist, und nicht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls das erste Betriebszustandssteuersignal nicht mit der Steuersignalkennung versehen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sensorknoten eine spektrale Eigenschaft des in Form sichtbaren Lichts übertragenen ersten Betriebszustandssteuersignals ermittelt wird, wobei ein Sensorknoten in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale Eigenschaft des ersten Betriebszustandssteuersignals einer voreinstellbaren spektralen Eigenschaft für das erste Betriebszustandssteuersignal entspricht, und nicht in den zweiten Betriebszustand versetzt wird, falls die spektrale Eigenschaft des ersten Betriebszustandssteuersignals der voreinstellbaren spektralen Eigenschaft für das erste Betriebszustandssteuersignal nicht entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sensorknoten elektrische Energie aus dem in Form vom Licht übertragenen ersten Betriebszustandssteuersignal gewonnen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal mittels gerichteter Schallwellen gesendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal mittels ungerichteter Schallwellen in einer akustisch abgegrenzten Umgebung gesendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorknoten nach Empfang des ersten Betriebszustandssteuersignals ein Bestätigungssignal mittels ungerichteter Funkübertragung aussendet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Betriebszustandssteuersignal von einem Signalgeber in Form eines Signalpulses gesendet wird und dass ein zeitaufgelöster Empfang des Bestätigungssignals durch den Signal- geber erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorknoten für einen voreinstellbaren ersten Zeitraum im zweiten Betriebszustand verbleibt und nach Ablauf des ersten Zeitraums selbsttätig in den ersten Betriebszustand versetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein im zweiten Betriebszustand befindli- eher Sensorknoten bei Empfang eines ersten Betriebszustandssteuersignals in den ersten Betriebszustand versetzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten des Sensornetzwerks durch ein zweites Betriebszustandssteuersignal von einem dritten
Betriebszustand in den ersten Betriebszustand versetzt werden können, wobei die Sensorknoten im dritten Betriebszustand das erste Betriebszustandssteuersignal nicht empfangen oder zumindest nicht verarbeiten können und im ersten Betriebszu- stand das erste Betriebszustandssteuersignal empfangen und verarbeiten können.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorknoten für einen voreinstellbaren zweiten Zeitraum im ersten Betriebszustand verbleibt und nach Ablauf des zwei- ten Zeitraums selbsttätig in den dritten Betriebszustand versetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein im ersten Betriebszustand befindlicher Sensorknoten bei Empfang eines zweiten Betriebszustandssteuersignals in den dritten Betriebszustand versetzt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten durch das erste Betriebs- zustandssteuersignal zwischen einem sensorpassiven Zustand, in dem sie keine Daten tasten und einem sensoraktiven Zustand, in dem sie Daten tasten, umgeschaltet werden können.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass das erste Betriebszustandsteuersignal von einem mobilen Steuergerät als Signalgeber ausgesendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Betriebszustandsteuersignal von einem mobilen Steuergerät als Signalgeber ausgesendet wird.
22. Sensorknoten (2-4), welcher mit wenigstens einem Sensor (5) zum Tasten von Daten, einem Sender-Empfänger (6) zur
Übermittlung von Daten mittels ungerichteter Funkübertragung und einer mikroprozessorbasierten Steuereinrichtung (7) zur
Steuerung des Sensorknotens versehen ist, bei dem die Steuereinrichtung (7) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21 geeignet eingerichtet ist.
EP09722507A 2008-03-17 2009-03-12 Verfahren zum betreiben eines drahtlosen sensornetzwerks und sensorknoten Withdrawn EP2255346A1 (de)

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