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Low-power Wireless Embedded Systems

Drahtlose, energieoptimierte Embedded Systeme ermöglichen viele neue Applikationen, Produkte und Dienste. Das damit verbundene transformative Potenzial zeigt sich in den Bereichen Industrie 4.0 oder Internet of Things, wo aus wirtschaftlichen Gründen die erforderliche, grosse Zahl von Objekten nur drahtlos verbunden werden kann. Das InES pflegt für die Entwicklung von Methoden und Techniken zur Energieoptimierung engen Kontakt mit Chip-Herstellern, die zunehmend Mikrocontroller mit Drahtlossystemen integrieren.

Diagramm eines typischen low-power eingebetteten drahtlosen Systems
Diagramm eines typischen low-power eingebetteten drahtlosen Systems

Drahtlose, energieoptimierte Embedded Systems ermöglichen viele neue Applikationen, Produkte und Dienste. Optimierungen der Energie, der Grösse und der Kosten machen sie besonders geeignet für Applikationen in Bezug auf IoT. Dies wird erreicht mit einer richtigen Auswahl von Schlüsselkomponenten.

Diese optimierten und verbundenen Systeme detektieren und reagieren auf ihre Umgebung anhand von Sensoren und Aktoren. Auf Grund eines anwendungsspezifischen Energiebudgets, Kosten und Grösse, werden die erforderlichen Forschungsaktivitäten ausgeführt. Systemarchitekturen werden entworfen und entwickelt und anschliessend als Hardware und Software realisiert. Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit werden berücksichtigt.

Unsere Aktivitäten

Wir arbeiten mit Mikrocontroller

Wir evaluieren und arbeiten mit Geräten von verschiedenen Herstellern und befassen uns dabei mit einfachen 8-bit-Controllern bis hin zu anspruchsvollen parallelen Architekturen. Beispiele dafür sind:

  • CoolRISC-Architektur, MSP430 mit Flash oder FRAM, verschiedene ARM-Cortex-Geräte, PSoC, XMOS Parallel Architectures, asynchrone Prozessoren, Sub-threshold-Prozessoren (wie Ambig’s Apollo) … usw.
  • Hardwarearchitekturen und Firmware sind optimiert (manchmal in Zusammenarbeit mit Komponentenherstellern), um verschiedene Auflagen zu erfüllen.
  • Wenn nötig, werden geeignete HW Zustandsmaschinen verwendet.
  • Wir sind ebenfalls stetig im Gespräch mit vielen Herstellern.

Wir arbeiten mit unterschiedlichen drahtlosen Systemen

Beispiele für drahtlose Systeme, an welchen wir aktuell forschen, evaluieren oder brauchen (manchmal in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen) sind:

  • Proprietär (sub-GHz, 2.4 GHz)
  • Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready, 802.15.4
  • Long Range: LoRa (sub-GHz, 2.4 GHz), Sigfox, verschiedene andere LPWAN Systeme
  • RFID (LF, HF, UHF), aktiv oder passiv
  • Backscattering communications
  • Low-power WLAN

Wir arbeiten mit Powermanagement und Energieversorgungskomponenten

Es gibt verschiedene Energiequellen:

  • Batterien: Batteriegespiesene Systeme sind energieoptimiert, um für eine längere Zeit zu laufen, was die Häufigkeit und die zusätzlichen Kosten senkt, um eine Batterie auszutauschen. Im Fall von flexibler oder wegwerfbaren Elektronik entwerfen wir auch mit bereits gedruckten Batterien.
  • Energy harvesting (energy scavenging): Kleine Mengen von elektrischer Energie werden von der Umgebung gewonnen (zum Beispiel Licht, Tempertaturunterschied, Bewegung, Radiowellen, usw.), um eingebettete Systeme zu betreiben.
  • Wenn nötig wird eine Kombination von Batteriestrom und Energiemanagementsystemen verwendet, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.
  • Stromnetz: wenn vorhanden und nötig.
  • Wir evaluieren regelmässig Verstärker, Abwärtsregler und Energiemanagementsystemen. Dank unserem Kontakt zur Halbleiterindustrie sind wir auch beteiligt an deren Spezifikationen und Design, sodass es am besten den Bedürfnissen unserer Partner entspricht.

Wir evaluieren verschiedene Energy Harvester und notwendige Komponenten in der Energiekette.

Projekte

Tiny solar

Tiny Solar

Dieser Sensor verwendet eine kleine und kostengünstige Solarzelle, um Messungen zu machen und die Resultate via Bluetooth Smart zu versenden.

LED as Energy Harvester

LED als Energy Harvester

LEDs können als kostengünstige Alternative zu Solarzellen verwendet werden, um Energie zu ernten.

Piezo element

Drücke, um zu Messen und Anzuzeigen

Energie, welche von einem Piezoelement geerntet wird, kann dazu verwendet werden, um eine Messung zu machen und die Resultate auf einem e-ink-Display darzustellen.

Solar cell

LoRa/LoRaWAN mit geernteter Energie

Dieses Modul erntet Energie Innen und Aussen und braucht sie um Nachrichten über LoRa zu versenden, welches eine Reichweite von mehreren Kilometern hat.

RF harvesting and RFID emulation

RF Harvesting und RFID-Emulation

Dieses System wird ausschliesslich von geernteter Energie von RF-Feldern mit Energie versorgt und sendet Messwerte in Form von RFID Parametern.

Smartphone with the application Simple Pairing for BLE

Einfaches und sichereres Pairing für Bluetooth Smart

Um ein Pairing mit einem Tag durchzuführen, generiert das Display eines Smartphones ein optisches Signal, welches von einem Sensor auf dem Tag empfangen wird.

Unsere Angebote

  • Forschung und Entwicklung in Bezug auf drahtlose/kabelgebundene, energiearme Systeme (bezahlte Projekte, Innosuisse Projekte (bisher CTI/KTI), europäische Projekte … usw.)
  • Evaluation von Komponenten für Energieanforderungen
  • Evaluation und Optimierung der Kosten und Energieanforderungen von neuartigen Systemen (auch unter NDA für Features, die nicht öffentlich sind)
  • Unterstützung beim Debuggen von verschiedenen neuartigen, drahtlosen Systemen
  • PA, BA und Masterprojekte für Studenten

Evaluation von Komponenten

Die Wahl der richtigen Komponenten ist sehr wichtig beim Entwurf von low-power Systemen. Deshalb evaluieren wir stetig Schlüsselkomponenten, wie Mikrocontroller, Empfänger, Harvester, Powermanagement-Elemente …

In einigen Fällen werden die Resultate veröffentlicht. Natürlich haben unsere Partner Priorität und Zugriff zu mehr Informationen. Nachfolgend sind Links zu Berichten von bisherigen Auswertungen:

Falls wir ihre Komponente oder ihr System evaluieren sollen, nehmen sie Kontakt mit uns auf und wir können ein Angebot ausarbeiten.
Auswahl*

Blens app

Wissenschaftliche Assistenten, BA Studenten, Master Studenten

Bachelor oder Master Studenten in unseren Forschungsgruppen haben die Möglichkeit mit uns zu arbeiten, mit dem Ziel eines oder mehrere akademische Projekte abzuschliessen.

Die Liste unterhalb zeigt einige mögliche Forschungsthemen. Ebenfalls möchten wir Studenten dazu ermutigen ihre eigenen Ideen einzubringen und Projekte vorzuschlagen.

  • Low-power eingebettete Architekturen
  • Low-power: Verbessere die Zuverlässigkeit von LP-WAN-Netzwerken (wie LoRa WAN, BLE, Sigfox … usw)
  • Ubiquitous Time: Wie bekommt man die Zeitinformation von (fast) überall, vor allem während dem das Gerät eingeschaltet wird
  • Günstiges Energy Harvesting
  • Powermanagementarchitekturen
  • Wearables und gedruckte Elektronik