Prof. Dr. Johannes Magenheim

»Informatik sichert Zukunft – das gilt für die Berufsperspektiven der Studierenden wie auch für die gesellschaftliche Entwicklung. Deshalb müssen wir schon in den Schulen die attraktiven Seiten der Informatik und ihrer Berufsfelder sichtbar machen.«

Montag, 02. April 2012 02.04.12 10:13 Alter: 6 Jahre

Intelligente Schalter
Gebäudesteuerungen kabellos und effizient

Foto (Jana Neuhaus): Prototyp-Platinen für Lichtschalter

Intelligente Gebäudesteuerungen in Fabrikanlagen wie auch in Privathaushalten werden für die Steuerung vieler Systeme wie Licht, Klima oder Jalousien eingesetzt. Dabei werden – bislang meist über Kabel – zwischen den Geräten mittels eingebauter Netzknoten Signale weitergegeben, um die Technik entsprechend zu steuern. Auch Geräte mit Funksteuerung sind möglich, jedoch sind die Reichweiten hier bislang sehr klein und häufig nur innerhalb eines Raumes möglich.

Bei solchen Installationen existieren häufig noch technische Probleme: durch Defekte oder Umbau können Knoten verschwinden, die Kommunikation wird an dieser Stelle verhindert. Es können Störungen durch dynamische Veränderungen auftreten, z.B. durch umherlaufende Menschen, oder Türen, die auf und zu gehen. Auch Störungen durch andere Geräte auf gleichen Frequenzen sind möglich. Wenn viele Geräte gleichzeitig senden, besteht ein sehr großes Signalaufkommen mit vielen Redundanzen, auch stören sich die Knoten gegenseitig – das sogenannte Broadcast-Storm-Problem. Bei Überlastung kann  die Kommunikation sogar völlig zusammenbrechen. Intelligente Gebäudesteuerung ist eine sehr nützliche Technik, bislang funktioniert sie jedoch noch nicht effizient und die Installation gestaltet sich aufwändig, insbesondere bei der Signalübertragung durch Kabel.

Große Netze mit vielen Geräten – bei kabelloser Installation – das ist das Ziel von Jun.-Prof. Dr. Hannes Frey und seinem Mitarbeiter Rafael Funke. Die problematischen Redundanzen wollen sie minimieren, indem sie Knoten entfernen und damit das Netz ausdünnen. Dieses ist dadurch zwar störanfälliger, aber mit der richtigen Balance zwischen Netzdichte und Redundanzfreiheit kann dieses Problem überwunden werden. Dr. Hannes Frey und Rafael Funke bauen auf der herkömmlichen Funktionsweise auf: Jeder Knoten gibt ein empfangenes Signal genau einmal an jeden seiner Nachbarn weiter. Trotz begrenzter Sendereichweite werden auf diese Weise alle Geräte im Netz erreicht. Frey und Funke konfigurieren das System so, dass es dynamisch auf Störungen reagieren kann: Spezielle Back-up-Knoten wiederholen bei Bedarf – und nur dann – das Signal über Backup-Pfade. Mittels Multi-Hop-Kommunikation funktioniert dies auch über nicht-vorhandene Geräte hinweg. Zusätzlich können die Knoten durch algorithmische Lösungen der Mikrocontroller auch bei geringer Speicherkapazität (kostengünstig) arbeiten. Für die einzelnen Knoten werden in einem herkömmlichen Schalter kleine Platinen installiert, die vom Projektpartner Insta Elektro GmbH in Lüdenscheid entwickelt und gebaut wurden. Neben Schaltern können auch Fernbedienungen oder Bewegungsmelder als Eingabegeräte dienen.

Die Konfiguration wurde bereits in Versuchsaufbauten und Simulationen mit 230 installierten Knoten getestet. Als Ergebnis konnten Hannes Frey und Rafael Funke eine signifikante Steigerung in der Auslieferungsrate auf 95 Prozent verzeichnen – dem Anteil der Knoten, die die Nachricht tatsächlich bekommen haben.

Das zweijährige Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie mit 180.000 Euro gefördert.


(Autorin: Jana Neuhaus)


Kontakt:
Jun.-Prof. Dr. Hannes Frey
Große Drahtlose Netze
05251 60-5380
hannes.frey(at)uni-paderborn.de

Kontakt: Patrizia Höfer, Institut für Informatik, 05251 60-3341, hoefer[at]upb.de