KU Leuven flippert naar volgende generatie draadloze sensornetwerken

12 februari 2007

Draadloze sensornetwerken zijn begonnen aan hun verovering van onze leefomgeving. De mogelijkheden zijn enorm. Denk aan het verhogen van het leefcomfort in onze woning, continu monitoren van onze gezondheid of reductie van ons energieverbruik. Sinds de lancering van termen als ambient intelligence, ubiquitous computing en smart dust is er al heel wat onderzoek verricht, met resultaten zoals picoradio’s en multihopnetwerkprotocollen. Wim Dehaene en Georges Gielen van de KU Leuven bespreken hun researchproject over energiezuinige sensornetwerken.

In de meeste toepassingen van sensornetwerken is er nood aan actieve labels. Een grote hinderpaal is dat het vermogenverbruik van de sensorknopen op dit moment te hoog ligt. Economisch is het niet haalbaar om elke paar weken of maanden alle batterijtjes in gans het netwerk te vervangen. Vandaar dat er behoefte is aan een volgende generatie van sensornetwerkknopen met een sterk gereduceerd vermogenverbruik. Idealiter zouden deze zelfs autonoom energie uit zijn omgeving halen via bijvoorbeeld beweging of EM.

Het Pinballs-project komt aan deze vraag tegemoet en is opgezet om de basiskennis en –oplossingen voor de volgende generatie van sensorknopen te ontwikkelen. De projectnaam staat voor Pinless Batteryless Low-power Sensor networks. De grote doelstelling is om het vermogenverbruik met één tot twee grootteordes te reduceren ten opzichte van de huidige stand van de technologie. Het project kadert in het Strategisch Basisonderzoek-programma van het Vlaamse IWT. De partners zijn de onderzoeksgroep Micas van de KU Leuven, de IC-ontwerpfirma Ansem en de twee competentiepolen FMTC en VIL.

Ultrawideband

De Esat-Micas-onderzoeksgroep heeft de laatste 25 jaar een wereldwijde reputatie opgebouwd in onderzoek naar het ontwerp van geïntegreerde schakelingen op circuitniveau, zowel digitaal en analoog als RF en sensoren. Ansem is een ontwerphuis uit Heverlee dat is ontstaan als spin-off van de KU Leuven met specialisatie in het ontwerp van analoge en RF-geïntegreerde schakelingen. FMTC en VIL vertegenwoordigen twee belangrijke toepassingsmarkten van het project, namelijk industriële sectoren zoals machinebouw en grote productielijnen, en de logistieke sector zoals bibliotheken, transport en warenhuizen.

In het Pinballs-project onderzoeken Ansem, FMTC, KU Leuven en VIL de toekomst van draadloze sensornetwerken.

De opzet van het project is om nieuwe circuittechnieken te ontwikkelen teneinde een prototype van een volgende generatie sensornetwerk te ontwerpen en demonstreren. Hierbij moet het vermogenverbruik zodanig laag zijn dat de sensorknopen autonoom uit omgevingsenergie kunnen worden gevoed, zonder batterijen. In het project zullen we onderzoeken of de energie uit elektromagnetische straling kan komen. Ook de vooruitgang op andere autonome energiebronnen zullen we nauwgezet volgen. De beoogde toepassingen hebben allen een korte duty cycle, zodat de sensorknoop tijd heeft om voldoende energie te verzamelen voordat hij zijn operaties uitvoert. Dat kan bijvoorbeeld door een temperatuursensor uit te lezen en die informatie door te sturen naar de centrale server. Eerste simulaties van het Pinballs-systeemmodel tonen aan dat het zenden van de sensorknopen ongecoördineerd zou kunnen gebeuren. Oplossing is om de sensorknopen niet van een ontvanger te voorzien.

De radiotransmissie is gebaseerd op Ultrawideband-pulsen (PR-UWB). Deze techniek laat toe om zeer eenvoudige zenderschakelingen met laag vermogen te gebruiken. Een tweede motivatie voor deze keuze is dat PR-UWB-transmissie zeer geschikt is voor positiebepaling. Vele toepassingen vereisen immers niet enkel de sensorgegevens, maar ook de precieze locatie van de sensor. Denk maar aan logistieke toepassingen of de bewaking van machineparken of andere productie-eenheden.

Sensorknopen hebben slecht een beperkt zendbereik. Dit is gedeeltelijk het gevolg van de gebruikte modulatietechniek (UWB-transmissie is sterk gereguleerd). Belangrijker is echter dat er maar een beperkte hoeveelheid omgevingsenergie beschikbaar is. Eersteordeberekeningen laten zijn dat de overbrugbare afstand in de orde van tien meter is. Daarom moeten we het sensornetwerk uitbreiden met tussenknopen die de gegevens ontvangen en via een multihopnetwerk doorsturen naar de basisstations en de centrale server, om de gegevens uiteindelijk te verwerken. Ook deze hubs zullen laagvermogenschakelingen moeten bevatten, maar krijgen wel een batterij mee. De randvoorwaarde is wel dat deze batterijen hooguit twee maal per jaar aan vervanging toe zijn. De structuur van het sensornetwerk met sensorknopen, hubs en basisstations is weergegeven in de begeleidende figuur.

Troef

In de huidige fase van het project, dat in 2006 van start ging, voeren we aantal IC-pilotontwerpen uit en testen we ze om de haalbaarheid van de verschillende deelsystemen te evalueren. Zo testen we momenteel een laagvermogen DSP voor PR-UWB en hebben we een ultralaagvermogen PR-UWB-zender en -ontvanger ontworpen. Het verst gevorderd is de ontwikkeling van een overkoepelend systeemmodel dat de ontwerpers toelaat de opzet van het systeem en de specificaties van de deelsystemen te verifiëren voordat ze effectief geïntegreerde schakelingen maken.

Het einddoel van het project is om een grote sprong voorwaarts te maken in de ontwikkeling van ultralaagvermogen hardware voor sensornetwerken, zodat deze voor veel meer applicaties kunnen worden ontplooid. Onze belangrijkste troef is de toepassing van doorgedreven laagvermogen circuittechnieken in combinatie met een geïntegreerde systeemaanpak. De nauwe betrokkenheid van FMTC en VIL zorgen ervoor dat de praktische toepasbaarheid niet uit het oog verloren wordt. Naast vermogenverbruik is ook de kostprijs van de sensorknopen en de hubs van groot belang. In het Pinballs-project houden we de kostprijs laag door een zo groot mogelijke integratie in standaard CMos IC-technologie te gebruiken, met inbegrip van de antennes en sensoren.

Wim Dehaene en Georges Gielen zijn professoren verbonden aan de onderzoeksgroep Esat-Micas van het departement Elektrotechniek van de KU Leuven. Dehaene is de projectcoördinator van Pinballs en staat in voor de digitale en systeemaspecten. Gielen is verantwoordelijk voor de analoge platformontwikkeling en het systeemmodel.

Wim Dehaene en Georges Gielen

Terug naar overzicht