Das Internet der Dinge (Internet of Things, kurz IoT) wächst stetig. Eine gewaltige Zahl von vernetzten Knoten, die Daten sammeln, auswerten und in einem Netzwerk zusammenführen, ist deshalb schon heute notwendig. Das Problem: Der Energieverbrauch der Knoten ist enorm. 2013 entsprach der Energiebedarf von allen vernetzten Geräten weltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre wird sich dieser Bedarf sogar auf 1140 Terawatt pro Jahr nahezu verdoppeln, wobei das vernetzte IoT einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Sensoren energieeffizienter werden.

Bisher haben Industrie und Forschung dazu keine umfassende Lösung: Für jede Anwendung wird eine einzelne IoT-Hardware entwickelt, die dann mehr oder weniger energieeffizient ist. Die Fraunhofer-Gesellschaft will das ändern: In ihrem Leitprojekt »Towards Zero Power Electronics« (ZEPOWEL) soll eine Hardware-Lösung entwickelt werden, die einerseits ganzheitlich und andererseits extrem energieeffizient ist. In einem nächsten Schritt könnten vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten.

Fraunhofer setzt hier an zwei Hebeln an: Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Systemniveau realisiert. Das heißt, auch die Kommunikation mit anderen Systemen wird energiesparender. »Wir wollen die technologische Plattform für eine flächendeckende IoT-Anwendung schaffen«, erklärt hierzu Erik Jung, Projektmitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM.

Folgende Aufgaben wollen die Fraunhofer-Institute lösen:

1. Hocheffiziente Bauelemente für eine robuste und sichere Kommunikation

Dafür entstehen im Rahmen des Leitprojekts neue Technologien, zum Beispiel ein Ultra-Low-Power WakeUp-Receiver, der dafür sorgt, dass ein Sensorknoten nicht permanent Daten senden muss, sondern erst bei einem bestimmten Schwellwert oder durch eine authentifizierte Anfrage von außen »geweckt« wird.

Das im Projekt entwickelte Modul soll 1000-mal effizienter sein als existierende Standardfunklösungen. Der entwickelte Receiver reagiert nur auf autorisierte und kryptographisch gesicherte Signale, die tatsächlich für ihn relevant sind. Auf diese Weise kann der Sensorknoten bei minimalem Energieverbrauch im Standby-Modus verbleiben und im Bedarfsfall durch den WakeUp-Receiver sofort aktiviert werden. 

2. Genauere Messung bei geringerem Energieaufwand

Zusätzlich wird in dem Projekt eine einzigartige Sensorinnovation angestrebt: Es soll ein Luftgütesensor mit einer Mikropumpe gekoppelt werden. Die Pumpe dient dann als Messverstärker, indem sie die zugeführte Luftmenge stark vergrößert. Wenn diese Herausforderung gelingt, entsteht ein Sensor, der deutlich weniger sensitiv gebaut sein müsste, aber gleichzeitig viel genauere Daten liefert: Während heutige Sensoren bei einer Leistung von 1250 Mikrowatt pro Sekunde 5000 Messergebnisse liefern können, soll der entwickelte Sensor bei einer Leistung von weniger als 10 Mikrowatt doppelt so viele Messergebnisse pro Sekunde liefern.

Der Beispielsensor soll den Feinstaub in der Stadt messen. Während Feinstaubmessungen bisher extrem aufwändig waren und deshalb nur an wenigen Knotenpunkten gleichzeitig erhoben werden konnten, soll mit der neuen Technologie eine dichtere und genauere Messung ermöglicht werden. Durch die intelligente Vernetzung der Knoten und Anbindung an gängige Cloud-Plattformen kann ein detailliertes Modell vom Feinstaubausstoß in der Stadt erstellt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreich: Zum Beispiel könnte die Verkehrsfluss-Steuerung sich daran orientieren, oder Navigationssysteme könnten ihre Routen selbstständig daran anpassen.

3. Sensoren versorgen sich noch leichter selbst mit Strom 

Es soll nicht nur das Sammeln und Weiterleiten von Daten optimiert werden, sondern der Energiehaushalt der Knoten selbst.

Deshalb soll ein Breitband-Harvester entwickelt werden, eine Art Erntemaschine für die Umgebungsenergie. Seine Effizienz vervierfacht sich im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik: Um 100 Mikrowatt Leistung aus seiner Umgebung zu ernten, braucht er nur noch ein Viertel der Fläche, nämlich 5 mal 5 Quadratmillimeter. Die so geerntete Energie wird in einer neu entwickelten Dünnschichtbatterie gespeichert, die direkt auf dem Hardware-Chip integriert ist. Dieser voll integrierte Ansatz von Batterie, Harvester und Energiewandler ist weltweit einzigartig.

Ein Beispiel macht deutlich, wie das funktionieren kann: Wenn man etwas auf den Boden wirft, entsteht dabei Energie mit einer Bandbreite von wenigen Hertz bis zu einigen Kilohertz. Ein Absorber, der nur bei hundert Hertz eine Resonanz hat, kann dementsprechend nur wenig Energie aus dem Wurf aufnehmen. Wenn aber ein Resonator entwickelt wird, der über einen großen Frequenzbereich Energie aufnehmen kann, wird deutlich mehr Energie aus dem Wurf abgeerntet.

4. Modularer Baukasten für jede Anwendung

Das Leitprojekt ZEPOWEL hat sich darüber hinaus zum Ziel gesetzt, keine rein anwendungsspezifischen Knoten, sondern einen modularen Ansatz nach dem Prinzip Plug and Play zu entwickeln. »Wir bieten ein Modul für viele Anwendungen: Es ist ein Stecksystem wie mit Legobausteinen. Klick – und schon funktioniert es«, erklärt Erik Jung. Die entwickelte Plattform setzt sich aus Einzelinnovationen der Institute zusammen, die beliebig kombinierbar sind. Während bisher für jede IoT-Anwendung eine spezifische Hardware-Lösung erstellt wurde, wird in diesem Projekt eine universelle IoT-Hardware entwickelt. Je nach Anwendungszweck kann der Kunde sich dann »seine Rosinen rauspicken«. 

Die Partner im Fraunhofer-Leitprojekt und ihre AufgabenFraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT 

Die Fraunhofer EMFT bringt sich mit ihren Kompetenzen in produktionsnahen Mikrotechnologien, innovativen Sensorlösungen und Mikrodosierung in das Projekt ein. Sie wird im Projekt einen hochintegrierten gravimetrischen CMOS Partikelsensor entwickeln, der aus einer rauscharmen analogen Signalverarbeitung, einem mehrkanaligen, hochperformanten Analog-Digital-Wandler und anschließender digitaler Signalverarbeitung besteht. Das System wird durch eine Mikroaktorik ergänzt, die eine bedarfsgesteuerte Medienzufuhr erlaubt. Die Aktorik, Treiberelektronik und Sensorik werden als System-In-Package (SIP) im IoT-Knoten modular verwendet. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.