Sensornetzwerk – Was ist es und wie funktioniert es? – Teil 1

Das Wort „Sensornetzwerk“ ist in meinen bisherigen Beiträgen bereits das ein oder andere mal gefallen. Bisher haben sich diese Beiträge jedoch eher mit der Planung und dem Erarbeiten vom benötigten Grundwissen beschäftigt. Sei es die allgemeine Planung eines Sensornetzwerkes (Planung und Recherche) oder Einführung in das verwendete Betriebssystem Riot OS (Sensornetzwerk – Riot OS – Teil 1) . In diesem Beitrag soll jedoch endlich Licht ins Dunkle gebracht werden und das Mysterium „Sensornetzwerk“ näher erläutert werden.

Was versteht man unter einem Sensornetzwerk?

Der Begriff „Netzwerk“ ist im IT-Bereich ein geläufiger Begriff. Die meisten werden dabei sofort an ein Computernetzwerk denken und es kommen schnell Begriffe wie LAN (local area network) oder WLAN (wireless local area network) dazu. Der Gedankensprung zu einem Sensornetzwerk ist dann nicht mehr groß.

Ein Sensornetzwerk ist im Grunde auch nur ein Netzwerk aus Rechnern. Nur das in diesem Fall die Rechner kleiner ausfallen und im Normalfall ihre Funktion auf das Messen und Weiterleiten von Daten (Umweltparametern etc.) beschränkt ist. Als Rechner kommen kleine Mikrokontroller mit entsprechender Sensorik und Funkchips zum Einsatz. Sie bilden die Sensorplatine bzw. ein „Sensor-Node“ – einen Sensorknoten.

Je nach Einsatzzweck sind diese unterschiedlich aufgebaut. Ein leistungsstarker oder ein stromsparender Mikrokontroller, kabelgebunden oder funkbasiert, winzig klein oder groß wie ein Schuhkarton, einfacher Temperatursensor oder komplexes Sensor-Array. Das Ziel ist es, möglichst kostengünstig ein großes Netz aufbauen zu können und flächendeckend Daten zu erfassen. Aktuell sind die Nodes jedoch noch relativ groß und teuer und noch nicht für den großen Massenmarkt tauglich.

Die Einsatzmöglichkeiten sind aufgrund dieser Vielfältigkeit riesig. Beginnend bei einem einfachen Sensornetzwerk zur Temperaturüberwachung in Gebäuden bis hin zu riesigen Sensornetzwerken zur seismologischen Überwachung an Vulkanen. In den USA werden zum Beispiel Sensornetzwerke eingesetzt, um abgeschiedene Waldflächen auf Waldbrände zu überwachen.

All diese Sensornetzwerke sind jedoch relativ ähnlich aufgebaut und setzen auf die gleichen Technologien. Auf den Aufbau und die verwendeten Technologien möchte ich nun etwas näher eingehen.

Funktionsweise eines Sensornetzwerkes

Wie der Name schon sagt, bilden die Sensor-Knoten (Nodes) ein Netzwerk. Das besondere eines Sensornetzwerkes ist jedoch die Art und Weise, wie sie dieses Netzwerk bilden.

Anders als normale Rechnernetzwerke bilden Sensornetze ein Ad-hoc-Netz. Das heißt ein Netz, welches ohne feste Infrastruktur arbeitet. Es entsteht dabei ein vermaschtes Netz, in denen die Nodes mit einem oder mehreren anderen Nodes verbunden sind. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Daten der Nodes immer weiterzureichen, bis sie ihr Ziel erreicht haben (siehe Abbildung 1 – blaue Pfeile).

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Abbildung 1 – Aufbau Sensornetzwerk

Die Datenlast verteilt sich somit vorteilhafter als zum Beispiel bei sternförmigen Netzen, welche mit zentralen Knoten arbeiten. Aufgrund des Aufbaus eines Sensorknoten sind die Ressourcen wie Rechenzeit, Energie oder Datenrate sehr begrenzt. Ein vermaschtes Netzwerk erlaubt dennoch ein weitläufiges Netzwerk aufzubauen, da der Abstand zum nächsten Knoten relativ gering ist.

In einem Sensornetzwerk konfiguriert sich das Netzwerk autonom. Das heißt, es wird keine zentrale Instanz für die Netzwerkkonfiguration benötigt. Sensorknoten können ausfallen, sich bewegen oder neue Knoten kommen hinzu. Spezielle Routingprotokolle (dazu später mehr) sorgen immer dafür, dass sich das Netz entsprechend anpasst. Die Sensoren ermitteln stetig den optimalen Weg (Route) zu den anderen Sensoren und erstellen somit eine Routingtabelle. Kriterien sind dabei unter anderem der kürzeste Weg oder die Verwendung von möglichst gering belasteten Knoten. Diese Dynamik hat Vorteile sowie Nachteile.

Der Vorteil wurde bereits erwähnt, die automatische Anpassung des Netzwerks bei Veränderungen. Das Netzwerk ist somit so gut wie ausfallsicher. Fällt ein Knoten aus, so wird der Datenfluss über einen anderen Knoten umgeleitet (siehe Abbildung 1 – grüne Pfeile). Das Sensornetzwerk ist dadurch und durch die gute Lastverteilung sehr leistungsfähig. Des Weiteren sind die Netzwerkkosten durch die dezentrale Verwaltung sehr gering.

Diese Dynamik bringt jedoch auch Nachteile. Die Leistung eines solchen Netzwerkes kann nicht vorhergesehen werden und ist stark abhängig von der Engmaschigkeit des Netzwerkes. Die Anzahl der Knoten kann sich jederzeit verändern, was eine stetige Aktualisierung der Routingtabelle erfordert. Aber auch die Übertragungszeiten, durch unterschiedliche Leitungsqualitäten schwanken sehr. Wie gut ist die Verbindung zwischen den Knoten? Sind Wände dazwischen? Einflüsse, welche nicht vorhersehbar sind. Des Weiteren wird ein vergleichsweises komplexes Routing benötigt. Jeder Knoten muss wissen, wie er seinen Zielknoten erreicht. Um ein möglichst ausfallsicheres Netzwerk zu bekommen, müssen zudem möglichst viele Sensorknoten im Betrieb sein und dürfen nicht in den Standby gehen. Dies ist jedoch bei batteriebetriebenen Sensorknoten oft erwünscht. Man muss sich also Gedanken über sogenannte „always-on-Nodes“ machen, welche den Datenfluss aufrecht halten.

Um mit anderen Netzwerken kommunizieren zu können, gibt es ein Gateway (Parent-Node, siehe blauer Knoten in Abbildung 1), welches als Bindeglied zwischen dem Sensornetzwerk und zum Beispiel eines normalen local-area-network (LAN) fungiert. Dies ermöglicht das weitere Verarbeiten von Sensordaten auf extra Servern oder auf cloudbasierten Plattformen. Eine Verarbeitung oder sonstige Logik sollten im eigentlich Sensornetzwerk vermieden werden, da hier die Leistung oft begrenzt ist.

Dieser Beitrag ist noch relativ allgemein gehalten und hat auf das allgemeine Verständnis eines Sensornetzwerkes beschäftigt. Im zweiten Teil wollen wir dann einen Einblick unter die Haube machen und näher auf die verwendeten Technologien und Protokolle eines Sensornetzwerkes eingehen.