Modellbasiertes Energiemanagement für die intelligente Steuerung solarversorgter drahtloser Sensorsysteme

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar.The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems