Modellbasierte Entwurfsmethodik für drahtlose Sensorknoten

Hesse M. Modellbasierte Entwurfsmethodik für drahtlose Sensorknoten. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2021.Die stetig steigende Komplexität von eingebetteten mikroelektronischen Systemen, die sich durch eine Vielzahl von Komponenten mit jeweils verschiedenen möglichen Zustände jeder einzelnen Komponente auszeichnet, führt dazu, dass eine ganzheitliche Optimierung nicht mehr, oder nur sehr zeitaufwändig möglich ist. Dieses zeigt sich auch im Bereich der drahtlosen Sensorknoten, welche sich durch mehrere Sensoren, ein Bauteil zur Informationsverarbeitung, eine Funkschnittstelle und eine Energieversorgung mittels Batterie auszeichnen. Dessen Optimierung besteht in der Maximierung der Energieeffizienz, welche als die Anpassung der Leistungsfähigkeit an die Anforderungen der Anwendung bei gleichzeitiger Minimierung der Leistungsaufnahme definiert ist. Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung einer Entwurfsmethodik für drahtlose Sensorknoten, welche sowohl die Energieeffizienz des Systems optimiert, als auch den Entwurfsprozess systematisiert. Einleitend wird zunächst der Stand der Technik drahtloser Sensorknoten hinsichtlich Systemstruktur, Komponenten, Messgrößen und Parametern sowie der verfügbaren Systeme analysiert. Anschließend wird die bisher übliche Methodik zur Messung der Leistungsaufnahme von eingebetteten Systemen dargestellt und das Vorgehen anhand von zwei Praxisbeispielen verdeutlicht, wodurch sich die Komplexität der Konfigurationsmöglichkeiten hinsichtlich der Optimierung bestätigt. Vergleichend dazu wird der Stand der Technik für die Modellierung von drahtlosen Sensorknoten analysiert. Auf dieser Grundlage wird die Methodik für den Entwurf von drahtlosen Sensorknoten beschrieben. Zunächst erfolgt die Einordnung in den bisherigen Entwurfsprozess drahtloser Sensorknoten und im Anschluss daran die Ableitung des Handlungsbedarfs. Darauf folgt die theoretische Betrachtung des aufgestellten Modells anhand des grundlegenden Systemund Komponentenmodells. Anschließend werden die spezifischen Modelle für die einzelnen Komponenten und deren Zusammenschluss zu einem Modell für das Gesamtsystem beschrieben. Darauf aufbauend wird das Systemverhalten mittels der Definition von Tasks, dem Tastgrad und dem Datenfluss abgebildet. Somit wird eine Entwurfsraumexploration hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Leistungsaufnahme ermöglicht. Anschließend wird die Methodik des modellgestützten Entwurfs von drahtlosen Sensorknoten exemplarisch angewendet, wobei der Entwurfsraum in jedem Schritt des Entwurfsprozesses eingeschränkt und schlussendlich auf einen kleinen Lösungsraum fokussiert wird. Somit wird demonstriert, dass das Verfahren in der Lage ist, den Entwurf zu systematisieren und durch die Simulation der verschiedenen Entwurfsschritte zielführender zu gestalten. Das Vorgehen erhöht somit zum einen die Effizienz des Sensorknotens und zum anderen die Effizienz der Entwicklung von drahtlosen Sensorknoten oder auch eingebetteten Systemen im weiteren Sinne