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28. Juni 2002,  02:09, Neue Zürcher Zeitung

Im Tal der sprechenden Steine

Neue industrielle Anwendungen für sich selbst organisierende Sensorennetze

Eine Handvoll Jungfirmen entwickelt drahtlose, sich selber organisierende Sensorennetze für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie. Die Technik soll uns dereinst das «Internet der kleinen Dinge» bescheren, das Toastern, Heizungen und Spielzeugen eine «Stimme» im Web gibt. Das Konzept der sich selbst organisierenden Netzwerke wird aber auch im delikateren Bereich der Sprach- und Datenübertragung zur Anwendung kommen, meinen Forscher an der ETH Lausanne.

Die Silene Hawaiiensis ist eine unscheinbare Pflanze. Sie wird höchstens einen halben Meter gross. Beheimatet ist sie in den lavahaltigen Böden des Hawaii Volcano National Park, wo von ihr nur noch einige wenige Dutzend Exemplare existieren. Deshalb beschlossen Wissenschafter der Universität von Hawaii, im Sommer 2001 den Lebensraum der Pflanze über den Zeitraum mehrerer Monate zu überwachen und Daten wie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, Regenfallmenge, Windstärke und Sonneneinstrahlungsdauer zu sammeln. Eine Analyse könnte später aufzeigen, so die Botaniker, weshalb die betroffene Spezies rar ist und ob etwas zur Sicherung ihres Überlebens getan werden kann.

Weil zu häufige Besuche von Menschen sich störend auf das natürliche Lebensumfeld der Pflanze und damit auf die Authentizität der Daten auswirken, stellte sich die Frage, wie eine derartige Menge von Umweltdaten weitgehend automatisch gesammelt werden kann.

Netzkomponenten organisieren sich

Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeitet eine Forschergruppe um Mike Hawley am Media Lab schon seit längerem an der Entwicklung eines dezentralen, drahtlosen Sensorennetzwerks mit dem Namen Tephranet, dessen Komponenten sich untereinander selber organisieren, wenig Batteriestrom verbrauchen und ihre Messdaten über den geographisch nächsten Nachbarn weiterreichen, bis diese schliesslich über einen Server ins Internet eingespeist werden. Fällt dabei eine oder mehrere Komponenten aus, organisiert sich das Netz augenblicklich selber neu, und die Daten werden über eine alternative Route an ihren Bestimmungsort geschickt.

Mit dem Tephranet war eine Lösung für ein skalierbares Netzwerk von verschiedenen Sensoren und Digitalkameras gefunden, um den Lebensraum der Silene Hawaiiensis detailliert und diskret zu überwachen. Um den Nationalpark nicht durch schwarze Kästchen mit Gummiantennen zu verunstalten, entschieden sich die Wissenschafter, ihre rund hundert Tephranet-Komponenten in künstlichen Steinen aus Mikrofaserfüllmaterial zu verstecken. «Wohl noch nie in der Informatikgeschichte wurde ein drahtloses Netzwerk installiert, indem ein Minibus durch die Gegend fuhr und ein Student alle zehn Meter einen Stein zum Fenster hinauswarf», scherzte Hawley neulich an einem Vortrag in Basel.

Militärgelder für «tratschende Steine»

Seit einigen Jahren finanziert die DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), ein Ableger des US-Verteidigungsministeriums, zahlreiche universitäre Forschungsanstrengungen im Bereich selbstorganisierender Netze. Ein Auftrag des Militärs gab schliesslich auch den Ausschlag dafür, dass sich die Tephranet-Erfinder Robert Poor und Andy Wheeler bald nach der Hawaii-Expedition an die Kommerzialisierung ihrer Technologie wagen konnten. So wachen laut Hawley inzwischen einige hundert «tratschende Steine» in den Bergen Afghanistans über «alles Mögliche» und melden fahrende Panzer, Explosionen oder andere Unregelmässigkeiten zuverlässig wie Heinzelmännchen via Internet nach Hause.

Mit fünf Millionen Dollar Risikokapital auf dem Konto und Ethernet-Erfinder Robert Metcalf im Verwaltungsrat haben Poor und Wheeler inzwischen die Jungfirma Ember gegründet. Während Poor, der mit 47 Jahren als bislang ältester MIT-Doktorand gilt, das Militär als «den Kunden, über den ich nicht reden darf» bezeichnet, sieht er für das heute Embernet genannte Tephranet vor allem in der Industrie viele Einsatzmöglichkeiten.

In traditionellen Netzwerken für Sprache und Daten, wo über 99 Prozent aller Forschung gemacht würden, sei die Drahtlosigkeit lediglich Mittel zur Mobilität, meint Poor. Ganz anders verhalte es sich im Bereich der Sensoren- und Kontrollnetzwerke. Dort seien heute allein die tieferen Kosten ausschlaggebend dafür, verschiedene Sensoren drahtlos miteinander zu verbinden. Denn in Fabriken, etwa an langen Fertigungsstrassen oder zur Überwachung grosser chemischer Produktionsanlagen, kostet allein die menschliche Arbeit zur physischen Verkabelung deutlich mehr als der Einsatz einer drahtlosen Lösung. Im Gegensatz zur Übertragung von Sprache und Daten durch die Luft, wo durchwegs hohe Qualität und Übertragungsraten gefordert sind, reicht es aus, wenn Sensoren- und Kontrollnetze ihre Messdaten mit wenigen Kilobit pro Sekunde bis zu ihrem Nachbarn weiterreichen können. «Wir reden hier von Anwendungen, die völlig unspektakulär sind, wie etwa die konstante Überprüfung von Temperatur und Druck in langen Leitungen», meint Poor.

Das Internet der kleinen Dinge

Während jährlich rund 150 Millionen Prozessoren in allerlei Geräte eingebaut werden, so sind es laut Poor bei den Mikrokontrollern ganze 7,5 Milliarden. Mikrokontroller sind kleine Computer auf einem einzigen Chip. Sie vereinen sämtliche benötigten Komponenten wie Hauptrecheneinheit, Arbeitsspeicher und I-/O-Schnittstellen. Sie erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben und werden in hohen Stückzahlen sehr günstig hergestellt. Oft sind sie im Bereich der Überwachung und Sensorik anzutreffen, doch funktioniert heute auch kaum noch eine Waschmaschine oder eine Mikrowelle ohne einen dieser eingebauten Kleinstcomputer. Erst das Auftauchen von günstiger Funktechnik in den letzten Jahren eröffnet jetzt aber einen Weg, um - zumindest theoretisch - Millionen von Mikrokontrollern miteinander zu verbinden.

Während es auf den ersten Blick keinen Sinn ergibt, wenn sich die Waschmaschine während eines Waschgangs mit der ruhenden Mikrowelle austauscht, so eröffnet der serienmässige Einbau von drahtlos vernetzten Mikrokontrollern in Gegenständen des täglichen Gebrauchs durchaus faszinierende Perspektiven: Die eben bei Ikea erstandene Lampe kennt beim ersten Einschalten die bevorzugte Dimmstufe ihres Besitzers und leuchtet nur dann, wenn dieser im Raum ist. Voraussetzung hierfür ist einmal mehr, dass sich das Netzwerk selber organisiert, also wahllos Komponenten hinzugefügt oder entfernt werden können.

Es ist durchaus möglich, dass drahtlose, selbstorganisierende Netze der seit Jahren heraufbeschworenen Automatisierung des Heimes dereinst Tür und Tor öffnen. Andere Verfahren wie etwa Lonworks, das auf eine feste Verdrahtung in der Form von Stromleitungen angewiesen ist, haben den erhofften Durchbruch nie erlebt. Auch der «digitale Butler» Personal James, ein von der inzwischen konkursiten Zürcher Firma Starseed vor zirka zwei Jahren mit grossen Aufwand lanciertes PC-Peripheriegerät mit Kameras, Sensoren und Schaltern, die sich über das Internet steuern liessen, ist sang- und klanglos aus den Regalen der Elektronikfachgeschäfte verschwunden.

Bissloser Blauzahn

Ein ähnliches Konzept der Vereinfachung in der Kommunikation mit der näheren Umgebung und der automatischen Erkennung von neuer Gerätschaft verfolgt auch die vom Mobiltelefonhersteller Ericsson erfundene drahtlose Verbindungstechnik Bluetooth. Sie ermöglicht es beispielsweise, dass ein Mobiltelefon automatisch eine mit derselben Technik ausgestattete Freisprecheinrichtung oder etwa eine elektronische Agenda erkennen und mit diesen über Funk kommunizieren kann. Allerdings wurde Bluetooth von Beginn weg für die anspruchsvolle und verhältnismässig hohe Bandbreite verlangende Übermittlung von Sprache und Daten ausgelegt, was die Technik vergleichsweise teuer macht. «Für Fälle, wo lediglich die Temperatur in einer Wand gemessen werden muss, ist Bluetooth ein unnötiger Rolls- Royce», meint Poor.

Auch lassen sich um einen Blauzahn-Meister herum nur maximal sieben Sklaven zu einem Netzwerk anordnen. Die Anzahl erkennbarer und anschliessbarer Geräte ist also beschränkt, und es figuriert stets eines davon als zentrale Einheit. Bei echter Selbstorganisation hingegen würde der Meister nicht mehr benötigt, weil jeder Teilnehmer lediglich seinen geographisch nächsten Nachbarn erreichen muss. Im weit geringeren Stromverbrauch liegt ein weiterer Vorteil selbstorganisierender Netze. Was Bluetooth den heutigen Techniken für selbstorganisierende Netze allerdings voraushat, ist der fortgeschrittene Grad der Standardisierung.

Intelligente Staubkörner

Im Nationalen Zentrum für Kompetenz und Forschung für mobile Informations- und Kommunikationssysteme (NCCR MICS) der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) befassen sich rund 70 Forscher intensiv mit der Thematik selbstorganisierender Netze. Laut dem Institutsleiter Martin Vetterli, der auch als Assistenzprofessor an der renommierten kalifornischen Berkeley-Universität arbeitet, ist der Hauptgrund für das Interesse an diesem Ansatz in der ständig steigenden Anzahl von Teilnehmern zu suchen, welche die zentral organisierten Netze belasten. Analog zu populären Internet-Tauschbörsen wie Gnutella, die als Peer-to-Peer-Systeme (P2P) bezeichnet werden und ohne zentralen Server funktionieren, versuchen die Lausanner Forscher sogenannte Ad-hoc-WAN (Wide Area Networks) zu bauen: drahtlose Datennetze, in denen sämtliche Komponenten sowohl Terminals als auch Netzwerkknoten, sogenannte Terminoden, sind. Die Notwendigkeit für ein zentrales Switching und Routing verschwindet damit. Genau darin liegt aber auch die grösste Herausforderung für selbstorganisierende Netze: Die Lokalisierung einzelner Komponenten gestaltet sich sehr schwierig, insbesondere dann, wenn diese sich frei bewegen.

Für die Forscher ist klar, dass sich der drohenden Überlastung in Mobilfunknetzen mittelfristig nur durch eine Kombination herkömmlicher zentraler Lösungen wie GSM oder UMTS mit Techniken der Selbstorganisation wird beikommen lassen. In einem solchen Fall würde ein Mobiltelefon seinen Anruf nicht mehr zwingend von der nächstgelegenen Antenne erhalten, sondern von einem anderen, sich in der Nähe befindenden Handy, das temporär die Funktion eines Zubringers übernimmt. In der akademischen Gemeinschaft geniessen nicht nur die Lausanner mit ihrer Grundlagenforschung über Terminoden viel Aufmerksamkeit: Eine Forschergruppe um Kris Pfister von der Universität Berkeley will sogar so weit gehen, autonome Sensorik und drahtlose Kommunikation auf dem Raum eines Kubikmillimeters zu vereinen. Dieser sogenannte «schlaue Staub» (Smart Dust) soll gar so federleicht gebaut sein, dass er in ganzen Geschwadern kilometerweit durch die Luft reisen und seine Messdaten beim Vorbeiflug an einem Empfänger ins Internet einspeisen kann.

Einige mögen's kalt

Während derzeit vor allem amerikanische Jungfirmen wie Ember im Bereich der Industrie und Sensoria in der Telematik für Automobilhersteller versuchen, selbstorganisierende Netze zu kommerzialisieren, wagt auch das Anfang 2000 in Neuchâtel gegründete Startup-Unternehmen IP01 diesen Versuch. Laut dem Geschäftsführer Ruud Riem-Vis sei die von seiner Firma entwickelte Technik durchaus mit jener von Ember vergleichbar. Allerdings kann sich das Schweizer Produkt einer längeren Lebensdauer mit lediglich einer Batterie und einer fortgeschritteneren Miniaturisierung rühmen.

Der Grund dafür dürfte darin liegen, dass die Gründer von IP01 ihre Wurzeln im Institut für Mikrotechnologie der Universität Neuenburg haben und allesamt über einige Erfahrung in der Uhrenindustrie verfügen. So hat das Team vor der Gründung der Firma IP01 beispielsweise den bislang kleinsten GPS-Empfänger (Global Positioning System) der Welt für den Einbau in eine Swatch-Uhr entwickelt. Bereits realisiert wurde laut Riem-Vis ein Projekt für einen Grossverteiler, wo die Netzwerktechnik von IP01 bei der Überwachung der Temperatur einer Kühlkette zum Einsatz kommt. Weitere Applikationen sind im Transportwesen und in der Überwachung geplant. Gerade die Kombination mit den Lokalisierungsmöglichkeiten von GPS lässt noch einige interessante Anwendungen aus Neuchâtel erwarten.

Boris Schneider

 
 
 

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