© Fraunhofer IIS/David Hartfield

Die Intelligenz der Gegenstände

Das Attribut schlau hat man bisher eher Menschen zugeschrieben. Künftig sollen auch Objekte intelligent werden – und zwar nicht nur jedes für sich genommen, sondern auch als großes Ganzes. Beispielsweise können die Gegenstände ihr »Befinden« selbst bestimmen und miteinander »reden«. Die nötigen Basistechnologien für dieses »Internet der Dinge« entwickeln Forscher am Fraunhofer IIS – und zwar für die gesamte Anwendungskette.

 

Wie geht es dir? Bislang antworten auf eine solche Frage nur Menschen. Künftig jedoch sollen auch Gegenstände zum »Reden« gebracht werden und dem Nutzer mitteilen, wie es um sie steht. Kurzum: Die Objekte sollen eine gewisse Intelligenz erhalten. So weit, so gut. Doch was hat man sich im Alltag unter dieser Entwicklung vorzustellen, die auch als »Internet der Dinge« bezeichnet wird? »Anwendungen für das Internet der Dinge gibt es bereits einige«, konkretisiert Josef Bernhard, der seit mehr als 17 Jahren die Gruppe RFID and Radio Systems am Fraunhofer IIS leitet. »So könnten in der Stadt der Zukunft beispielsweise Straßenlaternen ihren Zustand und ihre Verbrauchswerte an die zuständige Stadtbehörde schicken und Mülltonnen den Stadtwerken mitteilen, wie voll sie sind.«

99 Prozent der Energie sparen – mit neuartigen Funkknoten

Um dieses Szenario Wirklichkeit werden zu lassen, haben Josef Bernhard und sein Team die Funkkommunikationstechnologie MIOTY entwickelt. Zwar könnten Straßenlaternen und Mülltonnen ihren Zustand auch via Mobilfunknetz an die Empfänger schicken. Allerdings verbraucht diese Kommunikationsart recht viel Energie – die Batterie würde daher nicht allzu halten. »Unser Funkknoten braucht nur ein Prozent der Energie zur Übertragung über Mobilfunk: Die Batterie hält also hundertmal so lange. Sie wird durchaus zehn bis fünfzehn Jahre schaffen«, erläutert Josef Bernhard erfreut. Auch die Reichweite kann sich sehen lassen: Auf dem Land kann der Funkknoten an einer Laterne einen bis zu zehn Kilometer entfernten Empfänger erreichen, in der Stadt schafft er je nach Bebauung immerhin zwei bis fünf Kilometer. Die Empfänger leiten die Daten via Internet in eine Cloud weiter. Hier werden alle Ergebnisse gesammelt, eine Software generiert aus den Daten die essenziellen Informationen. So könnte sie beispielsweise den Füllstand der Tonnen erkennen und einen optimierten Routenplan für die Müllabfuhr erstellen. Die Funkknoten selbst basieren auf standardmäßigen Halbleiter-Komponenten – ihr Clou liegt vor allem in der Art der Nachrichtenübertragung. Statt wie beim Mobilfunk die gesamte Information gebündelt zu verschicken, teilen die Forscher sie in kleine Pakete auf. Diese werden zeitlich versetzt mit unterschiedlichen Frequenzen gesendet. Der Vorteil: Die Übertragung ist weniger störanfällig, der Energieverbrauch ist niedriger, die Reichweite höher.

Mit Anwendungen für die Stadt der Zukunft befasst sich auch das Fraunhofer-Anwendungszentrum Drahtlose Sensorik in Coburg. Die Forscher setzen hier u. a. auf tragbare Sensorboxen, die via Smartphone des Nutzers Umweltdaten wie Temperatur, Luftdruck oder UV-Strahlung sammeln. »Mit unserer ENSIRO-Technologie kann jeder dazu beitragen, Wissen und Planungen in seiner Stadt zu verbessern«, erklärt Prof. Dr. Thomas Wieland, Leiter des Anwendungszentrums. Aktuell läuft ein Kundenprojekt, bei dem Verbrauchsstellen im Gebäude überwacht werden – hier geht es vor allem um kleine Alltagsdinge. So können Kaffeeautomaten, Seifenspender oder große Topfpflanzen mitteilen, wann sie geleert oder aufgefüllt werden müssen – ohne dass das Servicepersonal immer wieder nachsehen muss.

Produktionsanlagen diagnostizieren sich eigenständig

Nicht nur im Bereich der Smart City haben die Forscher des Fraunhofer IIS viel zu bieten, wenn es um das »Internet der Dinge« geht. Auch im Industriebereich entwickeln sie vielfältige Basistechnologien, um die Intelligenz der Gegenstände weiter voranzubringen. So z. B. spezielle Algorithmen, die Maschinen und Produktionsanlagen spüren lassen, wann eine Reparatur nötig ist oder eine ihrer Komponenten ausgetauscht werden muss – und dies dann sofort dem Schichtleiter melden. Bislang werden die Maschinen in festgelegten Zeitintervallen überprüft. Doch es kommt immer wieder vor, dass ein Werkzeug vorher abgewetzt ist – oder aber, dass es noch viel länger halten würde, sicherheitshalber bei der Wartung jedoch schon mal mit ausgetauscht wird. Zum anderen geht jede Reparatur mit Stillstandszeiten einher, die möglichst kurz gehalten werden müssen: Stehen die Maschinen etwa in der Autoproduktion eine Zeit lang still, kann der Verlust schnell in Millionenhöhe gehen. Mit den Algorithmen, die die Wissenschaftler des Institutsteils Entwurfsautomatisierung EAS in Dresden entwickelt haben, lässt sich dies umgehen. »Sie erkennen Probleme, bevor es zu Ausfallzeiten kommt, und verleihen den Anlagen somit die Möglichkeit, sich selbst zu überwachen«, erläutert Dr. Olaf Enge-Rosenblatt, der am Institutsteil für das Themengebiet »Condition-Monitoring-Systeme« verantwortlich ist.

»ALGORITHMEN LASSEN PRODUKTIONSANLAGEN LERNFÄHIG WERDEN.«

Die Vorteile: Unternehmer können das Risiko eines Ausfalls deutlich besser beherrschen, kommen mit weniger Ersatzteilen aus und können die Instandhaltung optimal planen. So können sie Reparaturen beispielsweise in Zeitfenster legen, in denen ein Stillstand der Maschine weniger ins Gewicht fällt. Die Algorithmen verleihen den Produktionsanlagen nicht nur eine gewisse Intelligenz, sie lassen sie auch lernfähig werden. Im Laufe der Zeit erkennen die Maschinen nicht nur, dass etwas aus dem Ruder läuft, sondern können auch genaue Angaben machen, was ihnen fehlt.

© Fraunhofer IIS/David Hartfiel
Flexibel und wartungsarm: Kommissionierregal mit drahtlos vernetzten s-net®-Sensorknoten. Ein Display und die Bestätigungsknöpfe erlauben eine einfache Verwaltung von Pickaufträgen.
© Fraunhofer IIS/Fabian Leander Sinzinger
Die Mehrkeulenantennen des Fraunhofer IIS lesen zuverlässig RFID-Tags aus. Sie sind verstellbar und erreichen dadurch eine höhere Leserate als herkömmliche Leseantennen.

Abläufe in den Produktionshallen werden transparent

Geht es um das Internet der Dinge, so landet man unweigerlich auch beim Thema Indus‑ trie 4.0 – schließlich sind die beiden Themen nahezu untrennbar miteinander verbunden. Im Zuge der Industrie 4.0 sollen die Abläufe in den Produktionshallen transparent werden, die Produkte ihre Fertigung selbst steuern. Das jedoch geht nur, wenn die Werkstücke Informationen über sich selbst besitzen und mit anderen Objekten und mit ihrer Umgebung kommunizieren. Hier greift die Kommunikationstechnik s-net®, die die Forscher am Fraunhofer IIS entwickelt haben. »Mit s-net® können sich beispielsweise die Produkte selbst überwachen und ihre Fertigung steuern, und zwar auf energiesparende Weise«, sagt Jürgen Hupp, der die Abteilung Kommunikationsnetze am Fraunhofer IIS leitet. »Zudem vernetzen sich die einzelnen Funkknoten eigenständig.« Im Alltag heißt das: Bringt man die Funkknoten an einem Werkstück an,klinken sie sich selbstständig ins Netz ein und leiten von Sensoren aufgenommene Daten weiter – etwa Temperatur oder Vibrationsstärke. Damit ist das Potenzial der Technologie jedoch bei Weitem noch nicht ausgereizt: Auch wenn es um Tracking geht – also darum, Werkstücke auf dem Betriebsgelände aufzufinden –, leistet s-net® gute Dienste. Anhand von Ankerknoten mit fester Position können die mobilen Knoten, die an den Werkstücken befestigt sind, bestimmen, wo sie gerade sind, und die Daten an einen Empfänger senden. In Zukunft kann s-net® gar die Produktion an sich erleichtern, indem die Funkknoten an einem Produkt dieses intelligent werden lassen. So kann dank s-net® ein Produkt beim Eintreffen in einer Montagezelle die Regalfächer auf- leuchten lassen, in denen die Monteure die anzubringenden Teile finden. Die Funkknoten wissen dann, wann welcher Produktionsschritt ansteht. Aktuell überwachen die Wissenschaftler mit s-net® den Zustand der Ladung in Seecontainern durch Funkknoten an den Paletten. Diese vernetzen sich im Container selbstständig und liefern die Informationen von der Palette an eine Telematik-Box außerhalb des Containers. Da der Übertragungsweg von den Knoten bis zur Box mitunter mit vielen Hindernissen bestückt ist, senden die meisten Knoten ihre Daten nicht direkt an die Box, sondern zunächst an weitere Knoten, die sie dann weiterleiten. Man spricht dabei auch von einer Multi-Hop-Kommunikation.

Logistische Güter melden ihre Identität beim Eingang ins Lager

Nicht nur in Seecontainern, auch in großen Warenlagern bietet es Vorteile, wenn die Gegenstände Informationen über sich und ihren Zustand preisgeben. Schließlich herrscht in diesen Warenlagern viel Getümmel: Gabelstapler um Gabelstapler karren Paletten in die Lager hinein, randvoll beladen mit Gütern. Logistiker würden gerne auf einen Schlag wissen, was auf den Paletten gestapelt ist, ohne alles abladen und nachschauen zu müssen – schließlich können sich auf einer Palette etliche Teile befinden. Daher versehen Hersteller die einzelnen Produkte mit RFID-Chips. Fährt der Gabelstapler in die Halle hinein, passiert er dabei auch ein spezielles Tor, an dem sich ein Lesegerät befindet. Über eine Antenne sendet es ein Signal an die Chips – diese »wachen auf« und senden ihre Identifikationsnummer zurück. Eine praktische Sache. Allerdings kommt es bislang immer wieder vor, dass ein RFID-Chip so versteckt liegt, dass das Lesegerät sein Signal nicht empfängt. Die Forscher vom Fraunhofer IIS haben den Prozess daher optimiert: »Wir haben die einfache Antenne am Lesegerät durch unsere neuartige Mehrkeulenantenne ersetzt«, erläutert Dr. Mario Schühler, dessen Gruppe sich am Institut mit Antennentechnologien befasst. »In der Mehrkeulenantenne sind quasi mehrere Antennen fusioniert, die in fünf verschiedene Richtungen ausstrahlen.« Somit liest sie die Palette bereits von vorn aus, bevor sie das Tor passiert, anschließend aus verschiedenen Richtungen von der Seite und schließlich von hinten. Sie kann also auch RFID-Chips erreichen, die herkömmliche Antennen übersehen würden, und den Objekten eine Richtung zuweisen. Ein weiterer Vorteil: Die Mehrkeulenantenne ist weltweit einsetzbar. Zwar arbeiten die USA, Europa und Japan jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen, was das Auslesen angeht. Die Antenne funktioniert jedoch für alle Frequenzbereiche.

»Objekt-Taxis« in Betrieben überwachen und optimieren

Haben die Produkte diese Eingangskontrolle im Warenlager hinter sich, werden sie oftmals mit kleinen Routenzügen von A nach B gebracht – hin zu dem Ort, an dem sie gebraucht werden. Doch welche Routen nehmen diese »Flurförderfahrzeuge«? Zu welchen Zeiten gibt es Engpässe? Wie kann man den Vorgang optimieren? Solche Fragen beantwortet die Lokalisierungstechnologie awiloc®. Kleine Boxen fahren auf den Fahrzeugen mit und zeichnen kontinuierlich auf, wo sie sich befinden. »Der große Vorteil der Technologie: Sie setzt auf vorhandene Strukturen auf und ist daher sehr einfach zu installieren«, sagt Steffen Meyer, der die Gruppe Kooperative Systeme und Lokalisierung am Fraunhofer IIS leitet. Im Fall der Flurförderfahrzeuge heißt das: Die Lokalisierung basiert auf WLAN, das in vielen Firmen bereits vorhanden ist. Bevor das System loslegen kann, fahren die Forscher zunächst die verschiedenen Strecken ab und erstellen ein typisches Signalstärkenmuster. Wie stark senden die verschiedenen Stationen an welcher Stelle? Anhand dieser Referenzdaten erkennt das System, wo sich das Kästchen und damit das Fahrzeug befindet. Den Ist-Zustand können die Forscher mit awiloc® aufzeichnen. Wie sich die Transporte optimieren lassen, ermitteln sie dann mit ihren Kollegen der Arbeitsgruppe Supply Chain Services SCS am Fraunhofer IIS.

Am 15. Oktober 2015 erhielt die Lokalisierungstechnologie awiloc® den zweiten Preis in der Kategorie »Impact delivered« der EARTO, die seit 2009 einmal jährlich herausragende Beispiele für angewandte Forschung ehrt. Dabei wählt die EARTO Projekte aus, die das Potenzial haben, einen gesellschaftlichen oder wirtschaftlichen Wandel zu initiieren. Und das ist bei all den Entwicklungen des Fraunhofer IIS in puncto Internet der Dinge sicherlich der Fall.

Hinweis: Mit dem Starten des Videos werden Daten an youtube übertragen.

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