Hardware-Software-Co-Design für energieeffiziente IIoT-Systeme

Sensorsysteme begegnen uns an vielen Stellen im Alltag: ob zu Hause, in der Landwirtschaft oder in der industriellen Produktion. Die fortschreitende Digitalisierung erfordert flexible, nachrüstbare und vernetzte Sensorlösungen – jede Branche hat spezifische Anforderungen, die es zu erfüllen gilt.

Eine wichtige Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz von IIoT-Systemen ist deren Energieeffizienz. RealIZM sprach mit Carsten Brockmann, Leiter der Arbeitsgruppe »Sensor Nodes & Embedded Microsystems« am Fraunhofer IZM, über die Notwendigkeit des Hardware-Software-Co-Designs für eine optimale Systempartitionierung von IIoT-Systemen und deren Leistungsbewertung.

Das industrielle Internet der Dinge

IIoT steht für »Industrial Internet of Things« (industrielles Internet der Dinge) und bezeichnet ein Netzwerk physischer Objekte (»Things«), die mit Sensoren und Software ausgestattet sind. Diese Objekte sind über das Internet mit anderen Geräten oder Systemen vernetzt, um Daten in Echtzeit zu erfassen und untereinander auszutauschen. Mit Funksensoren ausgestattete IIoT-Systeme übertragen Daten kabellos, lassen sich bei Bedarf einfach nachrüsten, ohne in laufende Prozesse einzugreifen, und können dezentral (verteilt) sowie in schwer erreichbaren Bereichen installiert werden.

Einsatzmöglichkeiten von IIoT-Systemen in der Zustandsüberwachung

Eine wichtige Einsatzmöglichkeit von IIoT-Systemen liegt in der Zustandsüberwachung (»Condition Monitoring«) von industriellen Fertigungsprozessen. Daraus resultiert sowohl ein besseres Verständnis der Prozesse (»Process Mining«) als auch eine vorausschauende Instandhaltung (»Predictive Maintenance«). Probleme frühzeitig zu erkennen, bevor es zu Ausfallzeiten oder Systemausfällen kommt, trägt zur Qualitätssicherung in der industriellen Fertigung und auch zur Erhöhung der Sicherheit von zivilen Infrastrukturen bei.

So lassen sich an Motoren in Industrieanlagen die Temperatur und Vibration messen, Füllstände von Maschinen überwachen oder Temperatur und Feuchte in Lagerräumen kontrollieren. Der Zustand von Brücken lässt sich ebenso überwachen und deren Instandhaltung vorausschauend planen oder die Behandlung von Abwasser und die Versorgung mit Trinkwasser steuern.

In dem Forschungsprojekt MicroMole wurde ein energieautarkes Sensor-System zur Überwachung von eingeleiteten Abwässern entwickelt. Mit einem Sensorring lässt sich beispielweise der Durchfluss in einem Freispiegelkanal messen.

Die digitale Transformation der Energiewirtschaft und -infrastruktur ist integraler Bestandteil der Energiewende. Die intelligente Steuerung von Energieflüssen ist notwendig, um mit dem immer größer werdenden Angebot an regenerativer Energie und der zum Teil versetzten Nachfrage flexibel umgehen zu können.¹

Das Freileitungsmonitoring ASTROSE^® ist ein IIoT-System von Funksensorknoten zum Monitoring von Hoch- und Höchstspannungsleitungen. Durch die kontinuierliche Erfassung verschiedener Messwerte in den Spannfeldern können Netzbetreiber die Transportkapazität optimieren, kritische Zustände schneller identifizieren und langfristige Betriebsdaten erfassen.

Von links nach rechts: Forschungsprojekt MicroMole: Sensorring für den Einsatz in Abwasseranlagen; ASTROSE®: Funk-Sensornetzwerk zum Monitoring von Hoch- und Höchstspannungsleitungen | © Fraunhofer IZM I Volker Mai

Energieeffizienz ist die Grundvoraussetzung, um IIoT-Systeme ökonomisch sinnvoll einzusetzen. Ziel sollte sein, dass ein IIoT-System möglichst lange wartungsfrei funktioniert. Jeder Batteriewechsel und jede Wartung sind zeit-, ressourcen- und kostenintensiv. Viele Anwendungen sind erst ab einer bestimmten Mindestlaufzeit sinnvoll. Ob ein IIoT-System energieautark oder batteriebetrieben ist, wird individuell bewertet.

Hardware-Software-Co-Design für optimale Systempartitionierung

»Wir sind Systemintegratoren und -designer und betrachten IoT-Systeme ganzheitlich«, fasst Carsten Brockmann seinen Aufgabenbereich zusammen. Von der Energieversorgung über die Datenverarbeitung auf dem IIoT-System bis hin zur Kommunikation entwickeln er und sein Team ein konzeptionelles Verständnis für das jeweilige System und dessen Einsatzszenario. Gemeinsam mit den Auftraggebern wird eine sinnvolle Systemintegration und -partitionierung erarbeitet.

Eine optimale Systempartitionierung ist entscheidend für die Energieeffizienz eines IIoT-Systems. Fehler in der Partitionierung, wie das Auslagern von Funktionen in die Software, obwohl sie in der Hardware effizienter umgesetzt werden könnten, wirken sich negativ auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems aus.

Beim Hardware-Software-Co-Design gehen zwei wichtige Entwicklungsstränge Hand in Hand. Brockmann und sein Team prüfen, wie die Systempartitionierung für die jeweilige Anwendung aussehen sollte und welche Funktionen in Hardware und Software abgebildet werden können. Ziel ist es, Wechselwirkungen zwischen beiden Bereichen zu identifizieren, um ein möglichst energieeffizientes IIoT-System zu entwickeln.

In der Arbeitsgruppe von Carsten Brockmann arbeiten Fachexpert*innen sowohl aus dem Bereich Hardware als auch Software eng zusammen: hierzu zählen unter anderem Elektrotechniker*innen, Informatiker*innen und technische Informatiker*innen.

Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz von IIoT-Anwendungen

»Für uns als Systemintegratoren bedeutet Energieeffizienz, möglichst viele Funktionalitäten mit möglichst geringem Energiebedarf zu realisieren«, erläutert Brockmann. Es gibt verschiedene Ansätze, die Energiebilanz von IIoT-Systemen zu verbessern. So kann beispielsweise eine schnelle Datenverarbeitung und eine robuste Übertragung zur Effizienzsteigerung beitragen. Ein Beispiel hierfür ist das vom Fraunhofer IIS entwickelte IoT-Protokoll mioty^®.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Verhältnis von aktiver Mess- und Verarbeitungszeit zu Ruhezeiten zu dahingehend optimieren, dass das System möglichst lange in den Ruhezustand versetzt werden kann. Hierbei werden alle nicht benötigten Komponenten deaktiviert und benötigen so nur einen Bruchteil des normalen Leistungsbedarfs. Insbesondere für einen Betrieb, der keine kontinuierliche Messwertermittlung erfordert, ist dies ein gut geeigneter Ansatz.

Der größte Effizienzgewinn wird durch die dynamische Konfiguration eines Systems erzielt. Beim Hardware-Software-Co-Design werden Architekturen entwickelt, die es ermöglichen, Funktionen gezielt während der Laufzeit ein- bzw. auszuschalten. Brockmann vergleicht dies mit der Zylinderabschaltung in Autos: Bei leistungsstarken Motoren werden im Teillastbetrieb bestimmte Zylinder abgeschaltet, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Bei Bedarf können diese Zylinder dynamisch aktiviert werden.

Das Fraunhofer IZM hat einen Technologiedemonstrator entwickelt, der nach kundenspezifischen Vorgaben konfiguriert werden kann. Die energieeffiziente, akkubetriebene Sensor-Aktor-Plattform SWARMY verfügt über integrierte Sensoren und externe Schnittstellen, um beispielsweise Dehnmessstreifen anzubinden. SWARMY misst Vibrationen und Temperaturen an Anlagen und Bauteilen und erfasst Parameter wie Beschleunigung, Winkelbeschleunigung, Licht, Feuchtigkeit, Druck und Abstand. Die Messintervalle und Empfindlichkeiten lassen sich individuell anpassen.

Modulare Multi-Sensor-Plattform: Konfigurierbare Sensorik für verschiedene Messszenarien mit lokaler Datenverarbeitung und drahtloser Kommunikationsschnittstelle | © Fraunhofer IZM I Fabian Mathar

Das Fraunhofer IZM setzt zudem auf maschinelles Lernen (»Machine Learning«), um die Effizienz von IoT-Systemen zu steigern. Dabei wird deutlich weniger Leistung benötigt als bei statischen Optimierungsmethoden. Eine selbstlernende KI verändert das Betriebsverhalten des Systems. Sie läuft auf dem System und überprüft anhand bestimmter von zuvor definierten Leistungsdaten (z.B. Datendurchsatz, Werteverlauf), wie das Systemverhalten angepasst werden kann, um maximale Energieeffizienz bei gleichbleibender Funktionalität zu erreichen.

Benchmarking und Leistungsbewertung von IIoT-Systemen

Energieeffiziente IIoT-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht warm werden. Wärme bedeutet Energieverlust. Oft ist diese Wärme bei bestimmten Leistungsklassen nicht spürbar. Mit Hilfe von Strom-/Spannungsprofilen lässt sich der Leistungsbedarf ermitteln und mit den Funktionalitäten vergleichen. »Dies ermöglicht uns ein Benchmarking. Wir können das getestete System mit einem Referenzsystem hinsichtlich der Energieeffizienz vergleichen«, führt Brockmann aus.

Messung und Analyse des Leistungsprofils von Systemen und Baugruppen | © Fraunhofer IZM I Volker Mai

Leistungstests sind für Computersysteme gut etabliert, während Benchmarks für IoT-Systeme nur vereinzelt verfügbar sind. Im Forschungsprojekt »Green ICT« hat das Fraunhofer IZM verschiedene IoT-Systemarchitekturen untersucht und erste Referenzwerte zur Energieeffizienz ermittelt. Die Herausforderung liegt in den unterschiedlichen Systemausprägungen und vielfältigen Funktionen. Der Energiebedarf der Systeme variiert stark und muss in ein vergleichbares Verhältnis gesetzt werden.

Die Forschenden haben ein internes Arbeitswerkzeug entwickelt, mit dem sich Lastprofile von IIoT-Systemen in unterschiedlicher Granularität erfassen und schnell auf umfangreiche Betriebsszenarien hochrechnen lassen. Somit ist es möglich, frühzeitig die Auswirkungen von Entwicklungsentscheidungen abzuschätzen oder auch vergleichende Bewertungen an existierenden Produkten vorzunehmen. Darüber hinaus können den Lastszenarien auch Energieversorgungsoptionen gegenübergestellt werden, um eine ganzheitliche Betrachtung und ggf. Optimierung von Quell- und Lastseite eines Systems zu erreichen.

Beispiel aus dem Excel-Tool, über das der Energieverbrauch verschiedener Betriebsmodi von IoT-Komponenten oder -Modulen erfasst, bewertet und auf Betriebsszenarien skaliert werden kann. | © Fraunhofer IZM

Gemeinsam mit den Auftraggebern erstellt das Fraunhofer IZM in den Projekten Lastenhefte. Dank des Benchmarks verfügen die Forschenden über eine Bibliothek mit Referenzwerten. Während des Projekts werden Tests und Validierungen durchgeführt. Letztere sind wichtig, da sie sicherstellen, dass die anfänglichen Schätzungen, die im Lastenheft erarbeitet wurden, am Ende tatsächlich zutreffen.

»Unser Ziel ist, den globalen Benchmark für energieeffiziente IoT-Systeme zu setzen. Jedes Forschungsprojekt bringt uns näher«, erläutert Brockmann. Alle Erkenntnisse werden fortlaufend generisch und modular weiterentwickelt. Brockmann und sein Team arbeiten an einer Technologie-Plattform, die die Fortschritte prototypisch in der Systemarchitektur darstellt. Es ist möglich, spezielle Lösungen daraus auszukoppeln. Im Vordergrund steht jedoch die Weiterentwicklung.

Aktuelle Forschungsprojekte zur Verbesserung der Energieeffizienz

»Wir versuchen, grundsätzlich technologieoffen zu sein«, erklärt Brockmann. Im Forschungsalltag sind Arbeiten an industriellen Anwendungen jedoch oft eng mit zukünftigen Produktentwicklungen verbunden. Daher werden häufig marktgängige Technologien eingesetzt, um schnelles Prototyping und einen raschen Transfer in die Industrie zu ermöglichen. Zudem unterliegen IoT-Systeme schnellen Entwicklungszyklen und müssen schnell marktfähig sein.

In dem Forschungsprojekt LoLiPoP-IoT wird untersucht, wie IoT-Systeme möglichst energieeffizient realisiert werden können. Ziel hierbei ist, Energy-Harvesting-Lösungen für Sensoren mit sehr langer Lebensdauer zu erforschen und zu entwickeln. Dazu werden 12 verschiedene Anwendungsfälle aus unterschiedlichen Bereichen (Logistik, Wartung, Produktion) untersucht.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IIS entwickelt das Fraunhofer IZM in diesem Projekt energieautarke Sensorknoten für eine Zustandsüberwachung von Schüttgut in großen Silos. In der Regel ist eine nachträgliche Installation der benötigten Infrastruktur zu teuer. Sensorknoten sollen sicherstellen, ob bei der Lagerung bestimmter Güter Gärungs- oder Selbstentzündungseffekte entstehen und die Qualität des Lagerguts beeinträchtigt wird. Bei Bedarf soll automatisch eine Alarmierung und vorbeugend N2-Gas oder eine Löschschaumflutung ausgelöst werden. Die bisher eingesetzten Methoden fokussieren auf das Erkennen von Schwelgasrückständen. Für eine vorbeugende Reaktion ist dies jedoch zu spät, da der Lawinenprozess bereits begonnen hat.

Lebensdauer und Nachhaltigkeit von IoT-Systemen

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt der Forschenden am Fraunhofer IZM ist, die Systemarchitekturen mit Informationen zum Lebenszyklus eines IoT-Systems zu untersetzen, um den CO2-Fußabdruck zu bestimmen und die Lebensdauer abzuschätzen. Die Arbeitsgruppe »Sensor Nodes & Embedded Microsystems« arbeitet eng mit den Kolleg*innen der Abteilung »Environmental & Reliability Engineering« am Fraunhofer IZM zusammen. Umweltexpert*innen für Elektronik erstellen Ökobilanzen, analysieren den Energieaufwand für die Produktion von Baugruppen, Transportwege, Wartung und Entsorgung.

Zudem untersuchen sie Ausfallmechanismen, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von elektronischen Geräten zu prognostizieren. Brockmann schätzt die realisierbare Lebensdauer von IoT-Systemen auf mindestens 10 Jahre, einschließlich der Lebensdauer von Technologie und Bauteilen, einer ausgeglichenen Energiebilanz und der Reparierbarkeit des Systems.

»Unser Leistungsangebot richtet sich sowohl an Industrie- und Logistikunternehmen, Instandhaltungsteams als auch an Umweltbehörden, die energieeffiziente IoT-Systeme suchen, die bestimmte Kriterien wie beispielsweise Wartungsfreiheit erfüllen sollen«, fasst Brockmann zusammen. »Außerdem bieten wir die Möglichkeit an, bestehende IoT-Systeme energieeffizient weiterzuentwickeln, um deren Lebensdauer zu verlängern.«

Von der Idee zum Konzept: Beispiel für mögliche Komponenten eines IoT-Geräts | © Fraunhofer IZM

Synergien zwischen Fraunhofer IZM und Fraunhofer IIS in der Entwicklung energieeffizienter IoT-Systeme

Um die Energieeffizienz von IoT-Lösungen zu verbessern, kooperiert das Fraunhofer IZM mit dem Fraunhofer IIS. Das Fraunhofer IIS entwickelt Komponenten wie beispielsweise Energy Harvester und hocheffiziente Funkreceiver, während das Fraunhofer IZM Integrationslösungen für IoT-Systeme erarbeitet.

»Wir wissen, wie und in welchen Systemen Komponenten sinnvoll eingesetzt werden können und wo sie möglicherweise nicht sinnvoll sind – das ist unsere Expertise«, beschreibt Brockmann den Schwerpunkt seiner Arbeitsgruppe. »Wir haben bereits viele Funklösungen, Protokolle und Standards integriert und implementiert und kennen deren Verhalten in Bezug auf Energieeffizienz für spezielle Anwendungen.«

Quellen:

¹ https://www.energieforschung.nrw/erfolge-und-stories/digitale-netze