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Forschungsbereich Autarke Systeme am InES

Autarke Systeme erledigen ihre Aufgaben weitgehend ohne äussere Unterstützung. Sie sind unabhängig von elektrischer Energiezufuhr, Kommunikation oder externer Rechenleistung. Autarke Embedded-Systeme betreiben geeignete Mikrocontroller-Systeme und arbeiten mit optimiertem Energiebudget. Sie kommen ohne Batteriewechsel aus oder gewinnen die benötigte elektrische Energie aus der Umgebung (z.B. Licht, Wärme, Bewegung oder Radiowellen). Typischerweise funktionieren sie komplett ohne Kommunikation oder werden drahtlos verbunden.

Autarke Systeme

Das Bild zeigt eine Leistungsmessung am piezoelektrischen Harvester

Autarke Systeme sammeln die für den Betrieb benötigte Energie aus der Umwelt (Energy Harvesting). Sie kommunizieren drahtlos oder funktionieren komplett ohne Kommunikation zum Beispiel als autarkes Stellglied. Dadurch erreichen sie eine hohe Standzeit und arbeiten wartungsfrei. Es sind Einsatzgebiete möglich, in denen eine Verkabelung oder eine Wartung (zum Beispiel Batteriewechsel) unmöglich oder unwirtschaftlich wäre. Der Einsatz von Energy Harvesting generiert einen Mehrwert für bestehende Applikationen oder ermöglicht ganz neue Anwendungen für Embedded Systeme. Sensoren oder Aktuatoren können als vollkommen energieautarke Systeme betrieben werden.

Auslegung und Entwicklung Autarker Systeme

Autarke Systeme müssen mit einem begrenzten Energiebudget auskommen. Die Funktionalität und die Betriebszeiten des Systems werden einerseits durch die Anwendung bestimmt, andererseits durch die zur Verfügung stehende Energie. Daher ist ein ganzheitlicher Systemansatz notwendig, der die drei Aspekte Energy Harvesting, Energiemanagement und Energienutzung durch die Applikation gleichermassen berücksichtigt. Neben dem System selbst muss vor allem auch die Applikation und Funktionalität von Beginn an auf Autarkie ausgelegt sein.

Das Bild zeigt die Auslegung und Entwicklung Autarker Systeme

Unsere Leistungen

Ausgehend von der Applikation berücksichtigen wir alle Aspekte zur Entwicklung autarker Systeme, um für unsere Partner den grösstmöglichen Nutzen zu realisieren. Dabei legen wir den Fokus auf Realisierbarkeit, Stabilität und Wirtschaftlichkeit der Lösungen. Die von uns mit Partnern aus der Industrie durchgeführten Projekte führen mehrheitlich zu einer Produktentwicklung.

Unsere Tätigkeiten umfassen alle Schritte für die Entwicklung Autarker Systeme

  • Analyse der Applikation
  • Konzeptionierung des Gesamtsystems
  • Auswahl der geeigneten Harvesting-Technologie / Harvester und Auswahl oder Entwicklung von Boostern und Konvertern
  • Entwicklung von Low-power Embedded Systems mit Funkübertragung und angeschlossenen Verbrauchern
  • Implementierung der Software (Mikrocontroller, Funkübertragung, Empfänger)
  • Auslegung und Optimierung des Powermanagements
  • Entwurf und Implementierung von intelligenten Algorithmen zur Minimierung des Energieverbrauchs

Ausgewählte Projekte und Forschungsarbeiten

Das Bild zeigt den Prototyp eines autarken Heizkörperventils zur Einbindung in die Heimautomatisierung

Intelligentes Heizkörperventil / Automated Heating Control (AHC)

Das vollständig autarke Heizungsventil verwendet einen Thermoelektrischen Generator (TEG) und einen optimierten Booster für das Energy Harvesting.

Das Bild zeigt ein Modell eines autarken Monitoring Systems für industrielle Antriebe

Condition Monitoring System für industrielle Antriebe

Das Condition Monitoring System sammelt aus den Vibrationen des Antriebs die benötigte Energie für Sensoren, Microcontroller und Radio.

Das Bild zeigt ein autarkes wireless body network des InES am ETH Roboter StarlETH

Wireless Body Area Network for Autonomous Robots (roboBAN)

Das Wireless Body Area Network ist für Energy Harvesting ausgelegt und erreicht eine ausreichend hohe Übertragungssicherheit und –häufigkeit für Steuerungsanwendungen.

Energieautarke Elektronik im Lüftungskanal

Das energieautarke System misst aktuelle Umgebungsdaten und verstellt Lüftungsklappen. Die Energieversorgung erfolgt mittels Energy Harvesting aus der Luftströmung.

Echtzeit Positionstracking und Zieleinlauferkennung mit LoRa

Das System erfasst die Position von bis zu 255 Objekten auf einem räumlich ausgedehnten Gebiet. Die Kommunikation zwischen den Trackern und der Basisstation erfolgt mittels LoRa Funkübertragung. Reichweiten bis zu 40 km sind möglich.

Intelligenter Schuh mit Energy Harvesting

Das Wearable bezieht seine Energie mittels Energy Harvesting aus der Gehbewegung. Es misst verschiedene Daten und sendet sie an ein Smartphone zur Visualisierung und Weiterverarbeitung.

Kooperationen zur Realisierung von Komplettlösungen

Autarke Systeme ermöglichen die Realisierung von vielfältigen Lösungen. Die Einbindung in grössere Kommunikationsnetzwerke oder verteilte Systeme eröffnet weitergehende Möglichkeiten. Durch enge Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgebieten können wir die gesamte Informationskette für unterschiedliche Themengebiete realisieren. Gemeinsam beherrschen wir die Kette vom Autarken Sensor über die Datenübertragung bis hin zur Auswertung und Nutzung.

Zusammen mit dem Forschungsgebiet «Internet of Things» realisieren wir verteilte autarke Systeme und Sensornetzwerke.

Wir sind an zwei Forschungsplattformen beteiligt, welche die Kompetenzen mehrerer Forschungsbereiche bündeln. Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern können wir über die Plattformen das komplette Themengebiet abdecken: