Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1759
Main Title: Methodik zum Entwurf von miniaturisierten, energieautarken, verteilten Funksensorknoten
Translated Title: Methodology for Design of Miniaturized, Self-sufficient, Distributed Radio Sensor Nodes
Author(s): Niedermayer, Michael
Advisor(s): Reichl, Herbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der Entwurf miniaturisierter Funksensorknoten für drahtlose Sensornetzwerke ist gekennzeichnet durch eine hohe funktionelle Komplexität in Verbindung mit einer erheblichen, technologischen Realisierungsvielfalt. Die entsprechenden Entwurfsprozesse sind derzeit durch eine isolierte Optimierung einzelner Komponenten charakterisiert. Der Vergleich existierender Entwurfsansätze für elektronische Systeme hat ergeben, dass derzeit keine Methodik den gesamten Entwurfsprozess für miniaturisierte Funksensorknoten ausreichend unterstützen kann. Die Verfahren eignen sich lediglich für bestimmte Entwurfsschwerpunkte. Die vorliegende Forschungsarbeit baut ein ganzheitliches Rahmenwerk auf, welches den Entwickler von miniaturisierten, energieautarken Funksensorknoten bei der bereichsübergreifenden Optimierung unterstützt. Dabei wurde erstmalig der Protokoll- sowie der Schaltungsentwurf von Funksensorknoten mit den volumenrelevanten Entscheidungen hinsichtlich der Komponentengröße und -anordnung zusammenführt. Die zentrale Miniaturisierungsstrategie ist dabei, die Anforderungen hinsichtlich der Volumenkomponenten auf Kosten von Schichtelementen soweit wie möglich abzusenken. Die Identifikation der volumenrelevanten Entwurfsparameter erfolgt über Systemmodelle mit angepasster Granularität, welche die Funktionseinheiten zur Datenerfassung, Funkkommunikation und Energieversorgung auf Bauelementkombinationen abbilden. Auf Basis der wichtigsten Integrationstechnologien und deren Freiheitsgrade wurden weiterhin Volumenmodelle abgeleitet, die zur Abschätzung der Größenanteile einzelner Bauelemente auf den verschiedenen Abstraktionsstufen dienen. Nach der Analyse der verhaltens- und technologiebedingten Freiheitsgrade wurde eine ganzheitliche Entwurfsmethodik zur Miniaturisierung von Funksensorknoten erarbeitet. Dabei wird ein flexibler, modellbasierter Entwurfsansatz verwendet. Die einzelnen Entwurfsschritte ergeben sich dabei während des Entwicklungsprozesses durch Gewichtung der einzelnen Entwurfsentscheidungen in Bezug auf die Gesamtgröße. Zur Ermittlung des konkreten Miniaturisierungspotenzials wurden spezifische Entwurfswerkzeuge für energieautarken Funksensorknoten entwickelt und getestet. Am Beispiel von Reifendrucksensoren sowie Funksensorknoten für ein Logistikszenario wurde die Effizienz der Entwurfsmethodik im praxistauglichen Einsatz verifiziert. Im Rahmen dieser Entwurfsmethodik sind dabei die weltweit kleinsten Funksensorknoten entstanden, die man in drahtlose Adhoc-Netzwerke einbinden kann. Durch die ganzheitliche Betrachtung kann der Entwicklungsaufwand für einen bestimmten Miniaturisierungsgrad gesenkt werden, indem durch Verwendung der vorgeschlagenen Verfahren zur Volumenabschätzung der Entwurf auf volumenbestimmende Elemente konzentriert wird. Neben der Verwendung von Volumenmodellen zur Abschätzung des Miniaturisierungspotenzials können auch weitere ganzheitliche Systemparameter als Zielgrößen, beispielsweise durch Kosten- und Zuverlässigkeitsmodelle, integriert werden. Die entsprechenden Erweiterungen der hier vorgestellten Entwurfsmethodik stellen wichtige Forschungsthemen für den zukünftigen, technologieorientierten Entwurf von Funksensorknoten dar.
The design of miniaturized radio sensor nodes for wireless sensor networks is characterized by a high functional complexity in combination with an immense technological realization variety. The appropriate design processes are currently characterized by an isolated optimization of individual components. A comparison of existing design approaches for electronic systems has shown that no methodology can sufficiently support the entire design process for miniaturized radio sensor nodes at present. The procedures are only suitable for a certain design focus. This research work deve¬lops a holistic framework to support the developer of miniaturized self-sufficient radio sensor nodes during the multi-domain optimization. For the first time, the design of protocols and electronic circuits for radio sensor nodes are combined with the volume-relevant decisions regarding the component size and arrangement. The central miniaturization strategy is to lower the requirements regarding the volume components at expense of layer elements as far as possible. The identification of the volume-relevant design parameters is made by system models of an adapted granularity which map the functional units for the data acquisition, radio communication and power supply on element combinations. Furthermore, appropriate volume models were derived on the base of the most important integration technologies and their degrees of freedom. These models serve for the size estimation of individual elements on the different abstraction levels. After the analysis of the options regarding functionality and technology, a holistic design methodology for the miniaturization of radio sensor nodes was developed. A flexible, model-based design approach is applied. During the development process, the individual design steps result from weighting of the individual design decisions in the reference to the total volume. Specific design tools for energy-self-sufficient radio sensor nodes were developed and tested for the determination of the concrete miniaturization potential. The efficiency of the design methodology was verified in the practice-relevant applications based on the examples of tire pressure sensors as well as radio sensor nodes for a logistics scenario. In the context of this design methodology the world-wide smallest radio sensor nodes were developed, which can be embedded into wireless ad-hoc networks. The development effort for a certain miniaturization degree can be lowered by the holistic considerations. Therefore the suggested procedures for the volume estimation are concentrated on volume-determining elements. Apart from the use of volume models for the estimation of the miniaturization potential also further holistic system variables as target parameters can be integrated – for example by cost and reliability models. These extensions of the proposed design methodology represent future research topics for the technology-oriented design of radio sensor nodes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17491
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2056
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1759
Exam Date: 20-Dec-2007
Issue Date: 18-Jan-2008
Date Available: 18-Jan-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Entwurfsmethode
Mikrosystemtechnik
Miniaturisierung
Sensornetzwerk
Systementwurf
Design method
Micro system technology
Miniaturization
Sensor network
System design
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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