Energy-self-sufficient wireless sensor networks for the home and building environment

Abstract

In den letzten Jahren ist es zu einem enormen Wachstum im Bereich der drahtlosen Kommunikation gekommen. Hauptsächlich getrieben durch die Entwicklung in der Mobilkommunikation sind drahtlose Technologien aus dem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Der nächste Schritt in diese Richtung sind Anwendungen im Bereich der Automation, wo drahtlose Sensornetzwerke in vielen unterschiedlichen Industrien bisherige Systeme ergänzen und ersetzten werden. Die Integration von energieautarken drahtlosen Sensornetzwerken innerhalb von Gebäuden wird Installations- und Wartungskosten gegenüber bestehenden Systemen senken und damit eine breite Akzeptanz erlangen. Das Ziel dieser Dissertation ist es zu zeigen, daß energieautarke drahtlose Sensornetzwerke mit vorhandener Technologie realisierbar sind, indem jede Komponente sorgfältig auf niedrigen Energieverbrauch optimiert wird. Dafür müssen neue Protokolle entworfen und effiziente Hardware verwendet werden. Neue Ideen wie das energieeffizientes MAC Protokoll CSMA-MPS und die Anwendung von Funktransceiver mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit werden vorgeschlagen, um die Machbarkeit von energieautarken Sensoren nachzuweisen.<br />Das verwirklichte drahtlose Sensornetzwerk benötigt keine Batterien, sondern wird lediglich von kleinen Solarzellen in Kombination mit Kapazitäten als Energiespeicher angetrieben. Die sehr kompakten Sensorknoten messen Temperatur, Feuchtigkeit und Licht der Umgebung. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme eines Sensors liegt nach Messungen unter 100 µW. Simulationen haben gezeigt, daß dieser Wert noch weiter gesenkt werden kann. Damit kann die Lebenszeit eines Sensors von vielen Jahren oder gar Jahrzehnten erreicht werden. Die Ergebnisse dieser Forschung können in vielen verschiedenen Anwendungen Verwendung finden.<br />

In recent years a tremendous growth in the wireless market has been taken place. Mainly focused on mobile telecommunication and office applications, wireless technologies are more present than ever in our daily lives. The integration of energy-self-sufficient wireless sensor networks within the area of home and building automation can help solve many problems associated with existing technologies and enable a wider acceptance of this technology.<br />The goal of this thesis is to show that energy-self-sufficient wireless sensor networks are feasible using state of the art technology and by carefully designing such networks for ultra low power operation on every layer making use of energy optimized protocols as well as very low power hardware. Novel ideas such as the low power medium access layer protocol CSMA-MPS and the use of high bit rate radios for the physical layer will be proposed to prove the concept. The realized wireless sensor network runs without batteries - it can be powered by tiny solar cells and ultracapacitors as energy storage elements. The prototype sensor nodes are small in size and measure temperature, humidity and light of the surrounding environment. The average power consumption has been measured to be less than 100 µWatts in a fully connected network. Simulations show that there is still some space left for optimizations. In a home or building environment the lifetime of such a network can be decades and is not limited by the energy capacity of batteries. The results of this research can be applied to many different applications where ad hoc ultra low power sensor networks are required.<br />