Adaptives low-power Sensor- und Funknetzwerk für Assistenzsysteme im Bereich altersgerechtes Wohnen (ALFA)

Unter dem Schlagwort Ambient Assisted Living (AAL), zu Deutsch altersgerechte Assistenzsysteme, werden Technologien und Systeme aufgeführt, die es unserer alternden und zunehmend digitalisierten Gesellschaft heute und in der Stadt der Zukunft es ermöglichen sollen ein langes, selbstbestimmtes Leben zu führen. Für die Kommunikation dieser Hilfssysteme ist eine drahtlose Übertragung von Daten und Informationen unausweichlich. Dafür benötigen alle dieser uns umgebenden und unterstützenden Informations- und Kommunikationstechnologien [01] (IKT) elektrische Energie und müssen für den geringsten möglichen Energiebedarf entwickelt und optimiert werden. Viele Anwendungen, die in ihrem Wesen autark sind, müssen sich von der klassischen Energiezufuhr lösen und die für ihre Funktion notwendige elektrische Energie unmittelbar aus ihrer Umgebungsenergie gewinnen können - Energy Harvesting. Die IKT-Komponenten im Bereich Ambient Assisted Living (Embedded Systems, Funkmodule, Sensoren etc.) müssen für einen anwendungsgebundenen, unstetigen und schwachen Energiefluss, auch durch Energy Harvesting, der aber ihre Funktionalität dennoch sichern könnte, ausgelegt werden. Günstige, energiesparsame drahtlose Knoten solcher drahtlosen Sensornetzwerke (WSN - Wireless Sensor Networks) mit entsprechender Skalierbarkeit und funktionaler Flexibilität gilt es zu entwickeln [02].

Derzeitige Trends wie das „Internet der Dinge“ eröffnen eine Vielzahl an neuen Perspektiven und Möglichkeiten auch und gerade besonders im Bereich der Wireless Sensor Networks für altersgerechtes und betreutes Wohnen. Diese neuen Möglichkeiten stellen völlig neue Anforderungen an die Funktionalitäten der drahtlosen Sensornetzwerke. Fortschritte im Bereich des Systemdesign ermöglichen heute die Entwicklung von extrem energieeffizienten Systemen. Dabei spielen die zwei Hauptkomponenten - das Hardwaredesign und die Softwareimplementierung - eine Hauptrolle bei der Optimierung von Systemen für niedrigen Energieverbrauch [03]. Beide Komponenten können dabei nicht isoliert betrachtet werden und ergeben nur im Zusammenspiel ein optimales System. Besonders für den Bereich Energy Harvesting ist es essentiell den Energiebedarf von Systemen auf die vorhandene Umgebungsenergie anzupassen bzw. zu optimieren. Den realen Energiebedarf einer Kombination von Soft- und Hardware bereits in der Entwicklungsphase zu ermitteln ist mit gängigen Werkzeugen nur eingeschränkt für Hardwareplattformen möglich. Auch werden hardwaretechnische Besonderheiten einzelner Mikrocontroller wie interner und externer Peripherie oft nicht genügend berücksichtigt. Dies führt dazu, dass die konsequente Anwendung von Energiespartechniken oft nur unzureichend Anwendung findet.

Im Rahmen dieses Verbundprojektes des Kompetenzzentrums 'Ingenieurswissenschaften' sollen Hardware- und Softwarekonzepte speziell für den Bereich des Smart Home für Ambient Assisted Living entwickelt werden. Das soll den Projektpartnern, das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, das Unternehmen für Funklösungen ELDAT GmbH und die Kommunikationsexperten Ferrari Electronics AG, aber auch weitere Unternehmen und Netzwerke aus der Region, wie beispielsweise der Fraunhofer Allianz Ambient Assisted Living mit dem Fraunhofer IZM als Mitglied ermöglichen, ihre Entwicklungen zur Funkübertragung, Sensorik und Aktuatorik deutlich energieeffizienter zu gestalten und somit die o.g. Geschäftsfelder für die Region und Berlin als Stadt der Zukunft zu eröffnen.

Die Beuth Hochschule mit dem Kompetenzcluster „Leben in der Stadt der Zukunft“ bietet sich als Projektleitung ideal für ein derartiges Forschungsvorhaben an. In diesem Zusammenhang hat die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Peter Gregorius an der Beuth Hochschule für Technik gemeinsam mit der ELDAT GmbH bereits die Grundlagen für die Entwicklung einer energieeffizienten Funkübertragung im Rahmen des IFAF Forschungsprojektes MIME – Energieautarke drahtlose Mikrosysteme für telemedizinische Anwendungen erarbeitet. Die Sensorik und Aktuatorik ist seit mehr als 20 Jahren das Fachgebiet von Prof. Dr.-Ing. Ngo an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin im Studiengang Mikrosystemtechnik. Er kann ebenfalls auf zahlreiche regionale Partnerschaften, wie beispielsweise First Sensor AG, Alphaboard GmbH oder der Hochschulkooperation mit dem Fraunhofer IZM für die individuelle Entwicklung einer elektronischen Sensorplattform im Bereich AAL bauen. In der produktnahen Forschung arbeitet HTW Berlin u.a. im Projekt MIME an der Entwicklung eines Vitalsensorsystems für telemedizinische Anwendungen, inklusive der Sensorcharakterisierung, Datenerfassung, Auswertung und Systemintegration.

Ziel des hier beantragen Forschungsvorhabens Adaptives low-power Sensor- und Funknetzwerk für Assistenzsysteme im Bereich altersgerechtes Wohnen (ALFA) ist mit neuesten Technologien und innovativen Methoden ein dynamisches und energieoptimiertes Funkübertragungsprotokoll, ein multifunktionaler Sensorknoten, eine zuverlässige Energieerzeugung und Energiespeichersystem im Gebäudebereich und einheitliche Gateway-Lösung zur Datenspeicherung inklusive Schnittstellenkommunikation zu entwickelt. Dabei spielt eine vollkommen neue Entwicklungsmethodik in der Modellierung und Simulation komplexer Rechnerbasierter Systeme eine wesentliche Rolle. Die anschließende Zusammensetzung der Hard- und Softwarekomponenten zu einem energieautarken smarten Assistenzsystem für ältere und benachteiligte Menschen in der Pflege oder ihren eigenen vier Wände soll in einem konkreten Anwendungsfall münden. Diese könnte beispielsweise ein einfach anzubringender, energieautarker Türsensor zur Überwachung der Türöffnung und Benachrichtigung von Pflegepersonal von demenzkranken oder verwirrten Menschen darstellen. Erste Messungen und Untersuchungen an dem Nutzerverhalten wurden bereits am Virchow Klinikum durchgeführt.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen die Kooperation zwischen der Beuth Hochschule für Technik, der HTW Berlin und dem Fraunhofer IZM mit den regionalen Partnern ELDAT GmbH, Ferrari Electronic AG und den lokalen Gesundheitsträgern zu einer langfristigen strategischen Partnerschaft und in Folgeprojekten der Prototyp zur Produktreife weiterentwickelt werden.
Des Weiteren sollen die Erkenntnisse aus der beschriebenen Forschungsarbeit zur Profildefinition des von Herrn Prof. Dr. Martin von Löwis, Herrn Prof. Wolfgang Kesseler, Prof. Dr.-Ing. Peter Gregorius und weiteren Kollegen definierten neuen Studiengangs Medizintechnische Informatik im Fachbereich VI der Beuth Hochschule dienen.

Projektlaufzeit

1.4.2017 - 31.3.2019

Projektleitung

Projektmitarbeiter/innen

  • Muaadh Al-Batol

Kooperationspartner

  • Beuth Hochschule für Technik Berlin
  • Ferrari Electronic AG
  • Fraunhofer IZM
  • ELDAT GmbH

Mittelgeber

Institut für angewandte Forschung Berlin (IFAF)

Förderprogramme

IFAF Förderlinien 1 und 4

Homepage

http://www.ifaf-berlin.de/projekte/alfa/