Sensor-Frontend für IoT-Systeme Multi-Sensordaten mit weniger Energie auswerten

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Sensoren wandeln Umweltparameter in messbare elektrische Signale um. Ein spezielles Sensor-Frontend für vernetzte IoT-Systeme wandelt und verarbeitet eine große Bandbreite an Kenngrößen mit wenig Energieeinsatz in computerlesbare Daten.

Das Internet der Dinge (IoT) soll dabei helfen, unser Leben einfacher und effizienter zu gestalten. Die Anzahl von internetfähigen IoT-Geräten steigt mit der Digitalisierung seit Jahren kontinuierlich. Damit einher geht ein hoher Energiebedarf der IoT-Hardware. Fraunhofer-Forscher haben im Rahmen des Leitprojekts „Towards Zero Power Electronics“ (ZEPOWEL) eine modulare Plattform für vernetzte Geräte entwickelt, die mit weniger Energie wesentlich langlebiger ist als bisherige Produkte.

Damit werden nicht nur die Kosten für Wartung, sondern auch Batterie- und Elektronikmüll gesenkt. Dank des modularen Ansatzes lässt sich die Plattform für unterschiedliche Anwendungen einsetzen. Beispiele sind unter anderem ein mobiles System zur Messung von verschiedenen Umweltdaten wie der Luftqualität. Es soll bei der Automatisierung von Städten millionenfach zum Einsatz kommen, sowie ein stationäres System zur Überwachung von Werkzeugmaschinen.

Die Versorgung der autarken Sensorknoten erfolgt zum Beispiel durch Solar- und Vibrationsenergie. Die Ausgangsleistung dieser erneuerbaren Quellen ist jedoch beschränkt auf wenige Hundert Mikrowatt. So ist es auf Seiten der elektronischen Verbraucher von enormer Wichtigkeit, den Energieverbrauch bis aufs Äußerste zu reduzieren.

Umweltdaten aus unterschiedlichen Quellen

Eine der im Projekt entwickelten Kernkomponenten ist das Analog-Sensor-Frontend, das die analogen Sensoren mit der digitalen Welt koppelt. Im mobilen IoT-Knoten eingebaut, wandelt es die unterschiedlichen elektrischen Sensorsignale in digitale Daten gleichen Formats. Sie werden entweder von der Recheneinheit direkt oder via drahtloser Übermittlung online weiterverarbeitet. Ziel ist es, mit dem mobilen Knoten Daten von möglichst vielen unterschiedlichen analogen Sensoren zu sammeln.

Allerdings benötigen unterschiedliche Sensortypen verschiedene Messprinzipien. Darüber hinaus weisen die elektrischen Ausgangssignale typischer verfügbarer Umwelt-Sensoren sehr unterschiedliche Charakteristiken auf. So ändern sich Umwelt-Signale sehr langsam und sind ein Ziel für niederfrequentes Rauschen. Akustische Signale enthalten beispielsweise mehrere Tausend Schwingungen pro Sekunde über einen großen Dynamikbereich. Für die Entwicklung des Sensor-Frontends war die Bandbreite an Möglichkeiten ein Problem. Denn es muss eine Vielzahl von Messvarianten abdecken und entsprechend viele Modi bereitstellen.

Intrigierte Schaltung benötigt wenig Leistung

Die Standardherangehensweise für eine solche Problemstellung wäre nicht passen. Denn es müssten viele verschiedene Frontend-Schaltungen platziert werden, die auf eine Teilmenge der Sensoren optimiert sind. Das benötigt zu viel Platz und Energie. Eine andere Möglichkeit wäre es, ein einzelnes, mehrkanaliges Hochleistungs-Frontends zu verwenden, welches die maximal benötigten Kenngrößen liefern kann. Allerdings benötigen die besten kommerziell erhältlichen Frontend-Komponenten im Betrieb noch immer eine Leistung von ungefähr 1 mW. Damit sind sie ungeeignet für langlebige autarke Sensorknoten. Das Fraunhofer IIS/EAS entwickelte deshalb eine auf einem Mikrochip integrierte Schaltung (Integrated Circuit, IC), die nur ein Hundertstel der im Stand der Technik üblichen Leistung benötigt und damit nahezu verlustfrei arbeitet.

Ein IC bietet die Möglichkeit, sensible Schaltungsteile auf Silizium zu integrieren und damit auf Grund kurzer Signalwege rauschärmer mit höherer Signalqualität und effizienter zu operieren als ein diskreter Aufbau. Jedes analoge Sensorsignal muss zunächst auf verschiedene Arten elektrisch konditioniert werden, bevor es zur Weiterverarbeitung digitalisiert zur Verfügung steht. Das integrierte Sensor-Frontend kombiniert und optimiert Effizienz, Präzision und Flexibilität. Das Bild zeigt ein Blockdiagram und eine Fotografie des Frontend-Chips, der in 180-nm-CMOS-Technologie gefertigt wurde. Bis zu vier Eingangskanäle werden von einem 4-zu-1-Multiplexer zu einem einzelnen seriellen analogen Signalstrom kombiniert.

Im zweiten Schritt wandeln Abtast- und Halteglieder (Sample and Hold) den kontinuierliche Datenstrom in ein zeitdiskretes Signal um. Mit jeder Taktflanke wird ein neuer Amplitudenwert gespeichert und bis zur nächsten Periode gehalten. Bis zu 10.000 Samples pro Sekunde sind möglich. Zwei unabhängige S&H-Glieder realisieren neben der Abtastung eine Spannungsverstärkung sowie Strom-Spannungs-Wandlung. Abhängig vom Sensortyp kann je einer der Pfade mit dem 3-zu-1-Multiplexer aktiviert werden, während der andere sich im abgeschalteten Zustand befindet.

A/D-Wandler unabhängig von der Quelle steuern

Eine direkte Speisung des nachfolgenden A/D-Wandlers ist möglich. Trotz unterschiedlicher Eingangsleistungen lassen sich die Sensorsignale mit einstellbaren Verstärkungs- und Dämpfungsfaktoren so konditionieren, dass der A/D-Wandler unabhängig von der Quelle optimal ausgesteuert wird. Das ist wichtig für ein großes Verhältnis zwischen Signalpegel und Quantisierungsrauschen. Der A/D-Wandler übernimmt die konditionierten Signale und wandelt deren kontinuierliche Wertebereiche in binäre Worte um.

Sie lassen sich von digitalen Systemen verarbeiten und speichern. Abtastrate und Auflösung des Wandlers bestimmen seine Energieaufnahme. Verschiedene Sensoranwendungen benötigen unterschiedliche Geschwindigkeiten und Genauigkeiten. Deshalb können die Parameter des A/D-Wandlers im Betrieb konfiguriert werden. Für jede Sensor-Anwendung lässt sich effizient die passende Funktionalität bereitstellen.

Steuereinheit speichert digitale Daten

Eine digitale Steuereinheit koordiniert zeitlich präzise Abtastung, Konditionierung und Wandlung. Am Endpunkt der Strecke speichert die Steuereinheit die digitalen Daten jedes Sensorkanals bis zum nächsten Lesezugriff der Recheneinheit. Diese befindet sich im Kern des autarken Knotens, dem sogenannten „IoT-Core“.

Darüber hinaus enthält der IC präzise analoge Referenzstrom- und Spannungsquellen, einen temperaturkompensierten Taktgenerator und einen Treiber. Letzterer liefert Referenzspannungen für die Anregung von bestimmten Sensortypen, wie elektrochemische Gassensoren. Während des Betriebes erreicht der IC eine geringe Leistungsaufnahme von 8,8 µW bei einer Spannungsversorgung von 1,8 V. Zur besseren Handhabung wurde der Chip in ein Standard-QFN48-Gehäuse verpackt und in den IoT-Knoten integriert.

Wichtig war es, die analoge Leistungsaufnahme zu senken. So benötigt der IC einen sehr geringen statischen Strom für den Betrieb der integrierten Referenzquellen, während die anderen Komponenten rein dynamisch arbeiten. Das Bild zeigt vereinfacht den entwickelten 13-Bit-A/D-Wandler, der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation aus Transistor-Schaltern, einer Kondensator-Matrix, einem dynamischen Komparator und einem Register (SAR) besteht. Im Betrieb wechselt der Wandler zwischen Resetphase, Samplingphase und Konversionsphase. Bei letzterer bewirken das Schalten der Kondensatoren, das Aufladen von parasitären Kapazitäten, sowie digitale Kurzschluss- und Leckströme eine dynamische Energieaufnahme, jedoch keinen statischen Verbrauch.

Energieverbrauch des Frontends nahe Null

Die Messverstärker im Signalkonditionierungs-Pfad arbeiten mit geschalteten Kondensatoren und geschalteten Operationsverstärkern. Sie lassen sich abhängig von der Taktphase des A/D-Wandlers adaptiv hinzu- oder abschalten. Während der Wandler-Konversionsphase befinden sie sich im ausgeschalteten Zustand. Die analoge Eingangsspannung wird kontinuierlich auf Kondensatoren gespeichert. Zum Ende der Resetphase werden sie vorzeitig gestartet, um einen stabilen Arbeitspunkt zu generieren.

Mit dem Zeitpunkt des A/D-Wandler-Samplings, werden die Verstärker aktiv und stellen für die gesamte Phase das konditionierte abgetastete Signal bereit. Danach werden sie nicht mehr benötigt und können ausgeschaltet werden. Analoger Stromverbrauch findet nur während der Start- und Samplingphase statt. Alle Maßnahmen bewirken im Ruhezustand ohne Messungen einen Energieverbrauch des Frontends nahe Null. Mit konventioneller Schaltungstechnik würde der Verbrauch des ICs durch die erhöhte statische Stromaufnahme der Verstärker auf etwa 40 µW steigen. Die entwickelte Methode spart im Durchschnitt 77 Prozent Energie.

Sensormodul mit Umweltsensoren für die smarte Stadt

Für den im Rahmen des Projektes entstandenen Smart-City-Sensorknoten haben die Fraunhofer-Forscher spezielle Sensor-Module für die Luftgüteüberwachung in urbanen Umgebungen entwickelt. Die Platine mit einer Grundfläche von 34 mm x 16 mm trägt Sensoren für Umgebungslicht, Umgebungstemperatur und CO-Gaskonzentration. Mit ihnen lässt sich die Luftqualität bewerten. Es kann direkt auf passende Kontakte am mobilen IoT-Knoten gesteckt und vom Sensor-Frontend ausgelesen werden. Die Anordnung ist als beispielhafte Plattform zu verstehen. Bei Bedarf können einzelne Sensoren ausgetauscht werden.

Typische kommerziell verfügbare Umweltsensoren benötigen oft mehr Leistung als das Frontend-IC mit 8,8 µW. Bei einem autarken IoT-Knoten würde viel Energie dann verbraucht, wenn Umweltdaten überhaupt nicht ausgelesen werden. So muss eine Quelle mehr als 100 µW leisten, wenn sich alle drei Sensoren des entworfenen Moduls im dauerhaft angeschalteten Zustand befinden. Das Analog-Frontend versorgt die Sensoren nur dann mit Energie, wenn ihre Daten benötigt werden.

Die Steuereinheit des Frontends liefert aus diesem Grund zusätzliche digitale Signale V_sp1 bis V_sp4, mit denen die Spannungsversorgungen einzeln gesteuert werden können. Anfangs befinden sich alle Sensoren und das Frontend im ausgeschalteten oder ruhenden Zustand. Fragt der IoT-Core das Auslesen einzelner oder aller Umweltparameter an, werden die Sensoren entweder direkt von V_sp1 bis V_sp4 versorgt oder über Leistungsschalter von der Batteriespannung V_cc gespeist.

Sensoren abschalten und Ruhezustand beginnen

Nach einer einstellbaren Wartezeit zum Einschwingen der Analogspannungen, beginnt der Messzyklus des Frontends. Ist die Aufnahme aller Werte abgeschlossen, werden die Daten an der digitalen Schnittstelle bereitgestellt, die Sensoren abgeschaltet und das Frontend in den Ruhezustand versetzt. Im Smart-City-Szenario spart diese Methode etwa 50 Prozent Energie im Sensormodul ein.

Auch die Leistungsaufnahmen anderer Sensortypen können mit diesem Prinzip gesenkt werden. Das von Fraunhofer entwickelte flexible Sensor-Frontend übertrifft bei der Leistungsaufnahme den Stand der Technik um Faktor 100. Es hat das Potenzial, die Auswertung von Sensordaten im IoT-Kontext energieeffizienter und für Anwender einfacher zu gestalten. Damit trägt es dazu bei, langlebigere und nachhaltigere IoT-Geräte zu verwirklichen.

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* Marcel Jotschke ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwurf Adaptiver Systeme EAS. Er forscht an neuen elektronischen Schaltungen.

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