Sensornetze zur Überwachung von Lebensmitteln

Um eine genaue Vorhersage der Resthaltbarkeit zu ermöglichen ist es notwendig die Temperatur im Inneren der Verpackung, d.h. der Kartons oder Paletten zu messen. Um lokale Abweichungen zu erfassen, sollten mindestens 10 bis 20 Messpunkte vorhanden sein.

Anhand von Messungen der Signalstärke und Modellen zur Signalausbreitung wurde gezeigt, dass die Radiosignale von Funksensoren durch wasserhaltige Waren stark gedämpft werden, insbesondere im Frequenzbereich oberhalb von 1 GHz [1]. Um eine sichere Kommunikation herzustellen ist es daher notwendig, die Daten über mehrere "Hops" zwischen den Sensoren weiterzuleiten. Aufgrund der weltweiten Vernetzung von Transportdienstleistern ist eine Standardisierung der Kommunikationsprotokolle unumgänglich.

6LoWPAN und CoAP

Das Kabel gebundene Internet hat bereits einen hohen Grad an Standardisierung erreicht. Protokolle wie HTTP werden von Millionen Geräten verstanden. Im Projekt konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ein hohes Maß an Kompatibilität zu diesen Protokollen beizubehalten, aber gleichzeitig die benötigte Länge der Datenpakete und Speicherbedarf soweit zu reduzieren, dass eine Implementierung auf Sensorknoten möglich ist. Dies geschah unter anderem durch Einbindung des IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) Standards, dass es ermöglicht Funksensoren wie andere Internetgeräte zu adressieren.

Das Constrained Application Protocol (CoAP) ist speziell auf die Anforderungen einer Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation angepasst. Es ist an HTTP angelehnt, ermöglichst aber eine deutlich geringere Nachrichtenlänge. Im Projekt wurde eine CoAP Implementierung für das TinyOS Betriebssystem für Sensornetze erstellt. Durch weitere Arbeiten wurde ein Nachrichtenaustausch mit Sensorknoten, die das alternative Contiki Betriebssystem verwenden, ermöglicht.

Java fähiger Preon32 Sensorknoten
Preon Cube mit CO2 Sensor

Hardwareplattform für Sensorknoten

Neben der TelosB Plattform wurden zwei weitere Sensorknoten in Rahmen des Projektes weiterentwickelt und in der Anwendung zur Transportüberwachung getestet:

  • Der Preon32 Sensorknoten von Virtenio basiert auf einem energieeffizienten ARM-Prozessor mit höherer Rechenleistung. Dadurch ist es möglich, auch komplexe Haltbarkeitsalgorithmen direkt auf dem Sensor zu berechnen und eine komfortable Programmiersprache wie Java zu verwenden.
  • Ein Großteil der Energiereserven eines Sensorknotens wird dafür benötigt, den Radiochip periodisch in Empfangsbereitschaft zu halten, um auf eingehende Anfragen zu warten. In einem weiteren Ansatz wurde ein Sensorknoten realisiert, der sich mit semi-passiven RFID Technologien aufwecken lässt und daher fast keine Energie verbraucht, solange er nicht von außen angesprochen wird.
    Der Sensorknoten misst zusätzlich die Signalstärke des Wecksignals entlang der drei Raumachsen. Dies soll zukünftig dazu genutzt werden, um die Position des Sensorknotens im Container abzuschätzen.
Sensorknoten mit Weckfunktion per RFID
Vektor der Signalstärke (RSSI)

Relevante Veröffentlichungen

  1. Pötsch, T., Kuladinithi, K., Becker, M., Trenkamp, P., Görg, C.: “Performance Evaluation of CoAP using RPL and LPL in TinyOS”. In Proc of. Fifth IFIP International Conference on New Technologies, Mobility and Security (NTMS 2012). Istanbul, Turkey. 7.-10.5.2012. DOI: 10.1109/NTMS.2012.6208761
  2. Heidmann, N.; Hellwege, N.; Peters-Drolshagen, D.; Paul, S.; Dannies, A.; Lang, W.: A low-power wireless UHF/LF sensor network with web-based remote supervision - Implementation in the intelligent container. In: Sensors, 2013 IEEE, 2013, pp. 1-4.  DOI: 10.1109/ICSENS.2013.6688422
  3. Jedermann R, Pötsch T, Lloyd C.: Communication techniques and challenges for wireless food quality monitoring. Philosophical Transactions of the Royal Society A, May/June 2014, Vol. 372(2017), 20130304. DOI: 10.1098/rsta.2013.0304

[Weitere Publikationen]

Kontakt

Reiner Jedermann, Institut für Mikrosensoren-, aktoren und -systeme (IMSAS), Universität Bremen, Email

Koojana Kuladinithi, Arbeitsgruppe Kommunikationsnetze (ComNets), Universität Bremen, Email

Henri Kretschmer VIRTENIO GmbH, Email

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