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Bachelorarbeit: Trinkwasserqualitätsprüfung mit FPGA

Auf sauberes Trinkwasser programmiert

Sauberes Trinkwasser ist überlebensnotwendig. Was wir tagtäglich zu uns nehmen, muss frei von krankheitserregenden Bakterien sein. Mit der Optimierung eines Analysegeräts tragen die Elektrotechnik-Absolventen Sandro Furter, David Lorenz und Patrick Weiss dazu bei, dass Trinkwasser sicher ist.

Trinkwasser muss ständig auf mögliche Verunreinigungen und Bakterien überprüft werden. Bisher können punktuelle Laboruntersuchungen, die grösstenteils aus manuellen Arbeitsschritten bestehen, bis zu 72 Stunden in Anspruch nehmen. Im schlimmsten Fall kann diese Verzögerung zu schweren gesundheitlichen Folgen in der Bevölkerung führen. Daher ist die Nachfrage nach Messsystemen für ein dauerhaftes On-site-Monitoring gestiegen. Die Metanor AG entwickelt ein hochkomplexes, vollautomatisches Analysegerät, das die Bakterienbelastung des Trinkwassers mittels Durchflusszytometrie überwacht. Die Elektrotechnik-Absolventen Sandro Furter, David Lorenz und Patrick Weiss haben im Rahmen ihrer Bachelorarbeit das Steuerungssystem des Gerätes optimiert.

Optimierung durch Vereinfachung

In dem Verfahren der Metanor werden Zellen markiert und mittels Laserlicht auf ihre Eigenschaften hin analysiert. «Wir wollten in unserer Bachelorarbeit nachweisen, dass der Fortschritt im Bereich Embedded Systems es mittlerweile erlaubt, die gesamte Anwendersoftware in einem Mikroprozessor zu vereinen», erläutert Sandro Furter. Bisher sind dazu drei verschiedene Rechner notwendig: ein Industriecomputer für die Steuerung des Gesamtsystems und die grafische Benutzeroberfläche, sowie je ein Einplatinencomputer als Gateway und ein Mikroprozessor für die Datenakquirierung. Die Elektroingenieure haben sich für ihre Arbeit ausführlich mit dem Programmieren befasst. Sie nutzten den bereits im Gerät vorhandenen Multicore-Prozessor im System-on-a-Chip Field Programmable Gate Array (SoC-FPGA), um die gesamte Steuerung zu übernehmen. 

Von drei auf eins reduziert

In ihrer Machbarkeitsstudie konnten die Absolventen die Komplexität des Geräts verringern und gleichzeitig nachweisen, dass keine teuren Industriecomputer und -prozessoren notwendig sind, um die Daten auszuwerten. Die Teile der Software, welche zuvor auf dem als Gateway funktionierenden Einplatinencomputer und dem Industriecomputer verteilt waren, haben sie zu einer einzigen Applikation vereint. «Diese Applikation läuft auf dem dritten Prozessor, einem Xilinx SoC Zynq-7000», so Sandro Furter. «Die beiden anderen Komponenten sind daher nicht mehr notwendig.» Um das System bedienen zu können, haben die Absolventen ein einfaches Web-Interface implementiert, das eine begrenzte Anzahl von Befehlen an das System schicken kann – bis hin zum Durchführen eines kompletten Messprogramms.

«Wir sehen noch grosses Potenzial in der Laufzeitoptimierung.»

Sandro Furter

Weitere Leistungssteigerung möglich

Die ersten Tests haben gezeigt, dass die Rechenleistung der SoC-FPGA ausreichend ist, um die gesamte Software zu betreiben. Zwar konnten die drei Absolventen noch keine Langzeitversuche durchführen, aber Sandro Furter, David Lorenz und Patrick Weiss gehen davon aus, dass sich durch zukünftige Softwareoptimierungen und Hardware der neuesten Generation die Leistung des Geräts steigern wird. «Mit der aktuell verwendeten Variante des SoC-FPGA gibt es noch grosses Potenzial in der Laufzeitoptimierung», erklärt Sandro Furter. Ihre Forschungsergebnisse können also wesentlich zur Weiterentwicklung des Analysegeräts beitragen. Und auch dazu, dass Wasserversorger die Möglichkeit haben, vor Ort den hygienischen und mikrobiologischen Zustand des Trinkwassers kontinuierlich zu überwachen.