Ein Sensornetz (von ) ist ein Rechnernetz von Sensorknoten, winzigen („Staubkorn“) bis relativ großen („Schuhkarton“) per Funk kommunizierenden Computern, die entweder in einem infrastruktur-basierten (Basisstationen) oder in einem sich selbst organisierenden Ad-hoc-Netz zusammenarbeiten, um ihre Umgebung mittels Sensoren abzufragen und die Information weiterzuleiten. Die anvisierte Größe zukünftiger Sensorknoten machte die Idee unter dem Schlagwort Smart Dust (englisch „intelligenter Staub“) bekannt.W. Dargie and C. Poellabauer, „Fundamentals of wireless sensor networks: theory and practice“, John Wiley and Sons, 2010 ISBN 978-0-470-99765-9
Sensornetze wurden als militärisches Frühwarnsystem zur Überwachung von Pipelines und Landesgrenzen konzipiert. Die moderne Forschung sieht sie jedoch auch als Ersatz für kostspielige Sensoranordnungen im Fahrzeugbau, Warenverwalter in Lagerhäusern und Überwacher von Naturgebieten auf Schadstoffe, Waldbrände und Tiermigrationen; die denkbaren Anwendungen sind ebenso vielfältig wie die verfügbaren Sensoren (vgl. Sensoren nach Messgröße).
Sensornetze sind stets im Stadium der Weiterentwicklung, praktische Anwendungen gibt es zu Versuchs- und Demonstrationszwecken. Allgemein verbreitete Sensornetze gibt es für professionelle Anwendungen. Das bekannteste Sensornetz ist das der Wetterstationen verschiedener Anbieter, wobei die Vernetzung jedoch durch herkömmliche Telekommunikationsnetze erfolgt. Vergleichbare Netze von Aktoren sind nicht bekannt, da die erforderlichen Energien für Stellantriebe und der Schutz vor Fehlfunktionen erheblich höhere Anforderungen an die Vernetzung und die Knoten stellen.
2007 hatte der kleinste existierende Sensorknoten einen Durchmesser von einem Millimeter,Bis 2020 sollten Chips nur wenigen Nanometer große Komponenten haben. K. Pister: Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter 2004 deckte das bis dahin größte Sensornetz mit etwa 1000 Sensorknoten eine 1300 auf 300 Meter große Freilandfläche ab.Analyzing the Yield of ExScal, a Large-Scale Wireless Sensor Network Experiment zuletzt besucht am 21. August 2014.
Geschichte
Als Vorläufer der modernen Sensornetzforschung kann das Sound Surveillance System (SOSUS) betrachtet werden, ein während des Kalten Krieges von den Vereinigten Staaten installiertes Netz von Unterwasserbojen, das U-Boote mittels Schallsensoren aufspürt. SOSUS ist zwar kein Rechnernetz, brachte jedoch die Idee einer flächendeckenden Sensoranordnung hervor.
Die Forschung zu Sensornetzen begann um 1980 mit den Projekten Distributed Sensor Networks (DSN) und Sensor Information Technology (SensIT) der Militäragentur Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der Vereinigten Staaten. Die DARPA arbeitet mit militärischen und universitären Forschungseinrichtungen zusammen, um neue militärisch und wirtschaftlich bedeutende Technologien zu entwickeln. Ihre Ergebnisse unterliegen in der Regel nicht der Geheimhaltung, was auch auf die Sensornetzforschung zutraf.
In den 1990er Jahren erlebte die Sensornetzforschung einen Aufschwung, gefördert durch die immer kleiner und leistungsfähiger werdende Computer-Hardware. Heute werden Sensornetze von Forschungsinstituten in aller Welt untersucht. Ergebnisse werden seit 2003 auf der „ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems“ (SenSys) vorgestellt.
Hardware mini|Ein Sensorknoten vom Typ TelosB (Crossbow Technology). Auf der Unterseite befindet sich ein Batteriefach (2xAA). Ein Sensorknoten besteht im Kern wie ein gewöhnlicher Computer aus einem Prozessor und einem Datenspeicher (in der Regel Flash-Speicher). Dazu kommen ein oder mehrere Sensoren und ein Modul zur Funkkommunikation. Alle Teile werden über eine Batterie mit Energie versorgt. In neueren Modellen sind alle Bauteile auf einem einzigen Computerchip untergebracht, was die Größe gegenüber zusammengesetzten Einzelkomponenten erheblich reduziert.
Einige Entwürfe sehen Netzknoten ohne Sensoren vor, die nur der Kommunikation und Verwaltung dienen. Verfügen alle Knoten eines Netzes über dieselbe sensorische Ausstattung, so spricht man von einem homogenen Sensornetz, ansonsten von einem heterogenen. Heterogene Sensornetze sind vor allem dann sinnvoll, wenn die Sensoren unterschiedliche Einsatzmuster haben, also beispielsweise in Messhäufigkeit, Messdauer und anfallendem Datenvolumen sehr verschieden sind.
Als erfolgversprechendes Kommunikationsmittel wird derzeit die Funktechnik gehandelt, es wurden aber auch andere Kommunikationsmedien wie Licht oder Schall angedacht. Man geht davon aus, dass das Kommunikationsmodul wie ein Funkgerät zwei Zustände sendebereit und empfangsbereit kennt, zwischen denen mit geringer Zeitverzögerung umgeschaltet werden kann.
Sensorknoten erhalten nach dem Ausbringen keine neuen Energiereserven; sind die Reserven aufgebraucht, ist auch die Lebensdauer des Knotens erschöpft. Die Batterie eines Sensorknotens muss daher möglichst leistungsfähig sein, während alle anderen Teile eine möglichst geringe Leistungsaufnahme haben müssen. Um die Leistungsaufnahme weiter zu reduzieren, kann jeder Sensorknoten in einen Standby-Zustand versetzt werden, in dem alle Teile bis auf die prozessorinterne Uhr abgeschaltet werden. Beim Ab- und Anschalten spricht man von „schlafen gehen“ und „aufwachen“, wodurch regelrechte „Tagesabläufe“ zustande kommen. Der vollständige Verzicht auf Batterien durch Einsatz erneuerbarer Energie wie Photovoltaik wäre wünschenswert, ist nach derzeitigem Stand der Technik aber nicht machbar.
Visionär ist auch der Wunsch nach ökologischer Verträglichkeit: In der freien Natur ausgebrachte Sensorknoten sollten nach Erschöpfung ihrer Energiereserven rückstandslos verrotten, ohne die Umwelt zu belasten, und Tiere sollten durch versehentliches Verschlucken eines Sensorknotens keine Schäden davontragen.
Die Kosten der Hardware sollten so gering sein, dass sich Sensornetze in großem Maßstab – die DARPA spricht von hunderttausenden von Sensorknoten – auch finanziell tragen. Sensorknoten mit einem Stückpreis von 2 € wären im Fahrzeugbau vertretbar, großflächige Anwendungen zur Landschaftsüberwachung mit mehreren tausend Knoten lohnen sich erst ab einem Stückpreis im unteren €-Cent-Bereich; heutige Sensorknoten erreichen die untere Preisklasse nur selten und kosten für gewöhnlich über 100 € das Stück.
Bestehende Systeme In der Vergangenheit wurden einige Sensorknoten entwickelt, die zum Testen speziell entworfener Software und Kommunikationsschemata verwendet werden. Die Knoten unterscheiden sich stark in Größe, Ausstattung und Preis, da sie verschiedenen Zielvorgaben folgen: Während einige Entwickler versuchen, ihre Sensorknoten möglichst klein und billig zu machen, setzen andere auf Vielseitigkeit und Bedienkomfort für wissenschaftliche Testanwendungen. Bekannte Systeme sind: BTnode. Sensorknotenplattform von BTnodes, die individuell um Sensoren erweitert wird. Das aktuelle Modell BTnode rev3 hat die Maße 58,15 × 32,5 mm. eyesIFX FireFly von FireFly iDwaRF, iDwaRF-328 und iDwaRF-Box. Funkmodule auf Atmel AVR Basis zum einfachen Aufbau von drahtlosen Multipunkt-zu-Punkt (N:1) Netzen im 2,4-GHz-ISM-Band. Imote, Mica und Telos. Sensorknotenplattformen von Crossbow Technology, die individuell um Sensoren erweitert werden oder mit Standardausstattung kommen. Die aktuellen Modelle haben die Maße 36 × 48 × 9 mm (Imote2), 58 × 32 × 7 mm (Mica2) und 65 × 31 × 6 mm (Telos B). INGA (Inexpensive Node for General Applications). OpenHardware Sensorknoten, entwickelt vom Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund der TU Braunschweig. iNODE (intelligent Network Operating Device) Sensorknotenplatform des Forschungszentrums Jülich im Flex-PCB Design. 20 × 20 × 5 mm (gefaltet) iSense ist eine modulare Sensornetzwerk-Plattform von coalesenses. Neben einem Grundmodul mit Prozessor und Funkschnittstelle gibt es verschiedene Sensormodule (Beschleunigungssensor und Passiv-Infrarot, Temperatur und Helligkeit, Magnetsensor), Energiemodule und ein Gatewaymodul. Particles. Sensorknoten des TecO der Universität Karlsruhe mit Temperatur-, Licht- und Beschleunigungssensor. Das aktuelle Modell hat eine Größe von weniger als 10 mm³. Preon32, neuartiger Sensorknoten mit virtueller MaschinePreon32: Funkmodul mit überlegener Technik Abgerufen am 10. November 2017 Rene ScatterWeb s-net. Extrem energiesparende, drahtlose Sensornetze des Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen.s-net: Die Technologie des Fraunhofer IIS für extrem energiesparende, drahtlose Sensornetze Abgerufen am 15. Oktober 2013 SNoW5. Erweiterbarer Sensorknoten der Universität Würzburg. Sun SPOT. Sensorknotenplattform von Project Sun SPOT. TinyNode 584. Erweiterbarer Sensorknoten mit Temperatursensor von Shockfish SA. Der flache Knoten hat die Maße 30 × 40 mm. Tmote Sky. Sensorknoten mit Temperatur-, Licht- und Feuchtigkeitssensor von Moteiv. Der flache Knoten hat die Maße 32 × 80 mm. Waspmote. modularer Sensorknoten mit der Möglichkeit, verschiedene Sensoren als Erweiterung anzubringen.Waspmote: The sensor device for developers Abgerufen am 5. Dezember 2010 WeC WiseNet Z1. Sensorknoten mit Temperatur- und Beschleunigungssensor von Zolertia.
Kommunikation mini|Multi-Hop-Netzwerk Sensornetze bilden Ad-hoc-Netze, das heißt Netze ohne feste Infrastruktur zwischen Endgeräten. Ad-hoc-Netze sind vermaschte Netze, in denen Netzknoten mit einem oder mehreren Nachbarn verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine Multi-Hop-Kommunikation, bei der Nachrichten von Knoten zu Knoten weitergereicht werden, bis sie ihr Ziel erreicht haben.
Solche Netze zeichnen sich durch ein unvorhersagbares, dynamisches Verhalten aus, denn anders als bei fest installierten Rechnernetzen ist die Netztopologie unsicher: Anzahl und Standorte der Netzknoten sowie „Leitungsqualität“ sind nicht vorhersehbar, während des Betriebs können Knoten hinzukommen oder ohne Vorwarnung ausfallen.
Aufgaben der Netzprotokolle Die Kommunikation der Sensorknoten untereinander ist ein zentraler Bereich der aktuellen Forschung. Ziel ist es, Netzwerkprotokolle zu finden, die Daten möglichst effizient übermitteln und gleichzeitig die Energiereserven der Sensorknoten schonen, indem sie lange Schlafenszeiten ermöglichen und energieintensive Bauteile wie die Funkeinheit möglichst selten ansprechen.
Ein vollständiges Netzwerkprotokoll legt das Verhalten der Knoten in vier Punkten fest: Die Initialisierung ist die Phase, in der die Sensorknoten nach dem Ausbringen zueinanderfinden und durch Ausfindigmachen ihrer Nachbarn die Netztopologie aufbauen. Ein sauberer Aufbau der Netztopologie ist entscheidend für den späteren Erfolg beim Routing. Unter Tagesablauf versteht man den Wechsel zwischen Wach- und Schlafzeiten der Knoten. Da Schlafzeiten zwar Energie sparen, aber Knoten unerreichbar werden lassen, gilt es, hier einen vertretbaren Mittelweg zu finden. Das Kommunikationsschema bestimmt, wie ein einzelner Datenaustausch zwischen zwei Sensorknoten abläuft. Es muss sichergestellt werden, dass die Daten schnell und fehlerfrei übermittelt werden und sich die Knoten nicht gegenseitig stören. Das Routing schließlich legt fest, wie Nachrichten durch das Sensornetz geleitet werden. Nicht immer ist hier der kürzeste Weg der beste, denn dies könnte zu einer einseitigen Netzbelastung und damit verfrühtem Ausfall wichtiger Verbindungsknoten führen. Bisherige Forschungsarbeiten gingen diese Herausforderungen meist getrennt an und überließen es dem Betreiber des Sensornetzes, sich aus den Einzelteilen ein geeignetes Verfahren zusammenzusetzen.