Studentische Arbeiten

Die Wahl eines Betriebssystems für das Internet of things (IoT) oder ein drahtloses Sensornetzwerk ist keine leichte Aufgabe, da nicht alle auf dem Markt erhältlichen Betriebssysteme für den Einsatz im industriellen Umfeld geeignet sind. Die vorliegende Arbeit untersucht und bewertet daher die Leistungsparameter des kommerziellen Betriebssystems MiraOS sowie des Open-Source Betriebssystems RIOT OS. Die Arbeit definiert die grundlegenden Konzepte und industriellen Anwendungen und deren Anforderungen und legt anschließend Methoden zum Aufbau einer industrienahen Testumgebung fest, um verschiedene Leistungsparameter, wie z.B. die Übertragungsweite, der Energieverbrauch und Signalqualität, der beiden Betriebssysteme zu testen. Der Einfluss von in MiraOS unterstützten Rates auf den Energieverbrauch wurde ebenfalls untersucht. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine unzureichende Hardwareunterstützung zu einer schlechten Leistungsbewertung des jeweiligen Betriebssystems führen kann. Der nrf52840dongle wird z.B. schlecht in RIOT OS unterstützt, zeigt aber kein Problem in MiraOS. Außerdem implementieren beide Betriebssysteme bei Kollisionen oder Netzwerkstörungen unterschiedliche Paketwiederholungsmechanismen. All dies erlaubt keinen logischen Vergleich beider Betriebssysteme, aber die Ergebnisse dieser Arbeit geben Hinweise zur Optimierung der Leistungsparameter in beiden Betriebssystemen.

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) haben in den letzten Jahren sowohl im öffentlichen als auch im zivilen Bereich eine bedeutende Popularität erlangt. UAVs sind besonders nützlich in Anwendungen, in denen Menschenleben sonst gefährdet wären, z. B. beim Sammeln von Daten in abgelegenen und unzugänglichen Gebieten. UAVs mit verschiedenen Sensoren können verwendet werden, um dieses Ziel zu erreichen. Solche Sensoren können verschiedene Kameratypen, chemische Sensoren, Temperatursensoren umfassen. UAVs weisen jedoch aufgrund ihrer Größe Einschränkungen auf. Daher ist die Ausstattung eines UAV mit allen Sensoren möglicherweise nicht effizient. Mit verschiedenen Sensoren ausgestattete Multi-UAV-Systeme können verwendet werden, um Missionen gemeinsam effizienter und wirtschaftlicher abzuschließen als einzelne UAV-Systeme. Dies ist die sogenannte kooperative Kontrolle von UAV-Gruppen oder Schwärmen von UAVs. Die bestehende UAV-zu-UAV-Kommunikation konzentriert sich mehr auf die Erweiterung des MAVLink-Protokolls (Micro Aerial Vehicle Link) für die Kommunikation zwischen GCS und UAVs. Angesichts der kontinuierlichen Verbesserung der UAV-Autonomie und des UAV sowie der Komplexität der Missionen ist eine zentralisierte UAV-Organisation allein in vielen Anwendungsfällen nicht die beste Wahl. Um dieses Problem anzugehen, wird ein Framework für die UAV-zu-UAV-Kommunikation basierend auf MAVLink vorgeschlagen. Es reduziert die erforderlichen Arbeitsstunden, um jedes UAV-Mitglied einer Schwarmmission zu verwalten und die Problemabdeckung von GCS zu lösen. In dieser Forschungsarbeit wird ein UAV-Cluster mit dem Master-Slave-Modus unter Verwendung der Pymavlink-Python-Implementierung des MAVLink-Protokolls entworfen und implementiert. Im Fall eines Master-Slave-Modells fliegen UAVs im Rahmen einer einzelnen Mission in einem Cluster zusammen. Die Mission umfasst ein Master-UAV, das vom Piloten über die QGroundControl Station (QGC) betrieben wird, und mehrere Slave-UAVs, die vom Master-UAV gesteuert werden. Die Implementierung und Simulation des Frameworks erfolgt mit PX4, QGC und dem Robotersimulator Gazebo. Schließlich wird das Framework bewertet, indem die Round-Trip-Zeit (RTT) zwischen Clusterknoten berechnet wird. Es wird eine Zeit angegeben, die für die Ausführung eines Befehls durch UAVs benötigt wird.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der konzeptionellen Erstellung von Topologien zur Realisierung NB-IoT-basierter Sensornetzwerke und dem Vergleich dieser, speziell für eine spätere Anwendung im Mikroklimamonitoringbereich. Dabei liegt der Hauptfokus auf der Betrachtung des entstehenden Datenaufkommens bei der Verwendung unterschiedlicher Funktechnologien. Hierbei kommen NB-IoT und IEEE 802.15.4 in Verbindung mit 6LoWPAN zum Einsatz. Insbesondere die Protokollstapel dieser, sowie die Zusammensetzung des Overheads finden hier Beachtung. Des Weiteren wird der aktuelle Stand der Technik mit derzeitigen Anwendungsfällen von NB-IoT betrachtet und grundlegende Eigenschaften beleuchtet. Die selbst konzipierten Topologien werden hinsichtlich des Sendeaufwands und des entstehenden Overheads miteinander verglichen. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Energiebetrachtung einzelner Sensorknoten bei der Verwendung der genannten Funkstandards. Dabei wird auf bereits gemessene Werte sowie eine Online-Simulation zurückgegriffen. Abschließend wird ein Fazit gezogen, ob sich für die beschriebene Mikroklimaanwendung der Einsatz von NB-IoT als sinnvoll erweist.

Wireless Sensor Networks (WSNs) sind Systeme, die Daten sammeln, indem sie ihre Umgebung erfassen. Die Daten werden an einem zentralen Knotenpunkt gesammelt, um eine zukünftige Nutzung dieser Daten zu ermöglichen. Die Sensoren befinden sich im Freien und werden mit Batterien betrieben. Daher sind die verwendeten Geräte stark ressourcenbeschränkt. Jedoch wird auch von ihnen erwartet, dass sie zufriedenstellende Überwachungsfunktionen bieten: die genaue Erfassung von Temperaturmessdaten, Informationen über den Zustand des Netzwerks sowie Benachrichtigung über den Batteriestand. Daher ist eine Lösung erforderlich, die die genannten Überwachungsfunktionen bei minimalem Energieverbrauch bietet, um eine lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. In dieser Arbeit wurde ein Monitoring-Agent entwickelt, welcher dem System die Überwachungsfunktionen ermöglicht. Zusätzlich wurden weitere Funktionen implementiert, um einen minimalen Batterieverbrauch zu realisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Monitoring-Agent ressourcenschonend arbeitet. Daher verursacht dessen Betrieb keinen signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs, wodurch er für den Einsatz zur Überwachung des Netzes geeignet ist. Das Ziel, Energie einzusparen und gleichzeitig den allgemeinen Zustand des Netzwerks zu überwachen, wurde erreicht. Die vorgenommenen Verbesserungen erhöhen die Lebensdauer der Batterie, obwohl es durch das Hinzufügen der Monitoringschicht einen zusätzlichen Energieverbrauch gibt. So können mehr Parameter überwacht werden, wobei hierbei ein Kompromiss eingegangen wird, denn der Energieverbrauch wird hierdurch erhöht. Daher kann, abhängig vom betrachtetem spezifischen Systemszenario, gesagt werden: Es ist ein Optimierungsproblem, mehr Parameter zu überwachen und gleichzeitig den Energieverbrauch des Systems auf dem gewünschten Schwellenwert zu halten.

In vielen Medienunternehmen findet der Wandel zu IP-basierten Hörfunk- und Fernsehproduktionen statt. Das betrifft auch die Bereitstellung der zur Synchronisation erforderlichen Signale. In Live-IP-Netzwerken wird anstelle von Synchronisationssignalen auf den paketbasierten Austausch von Zeitinformationen über das Precision Time Protocol (PTPv2) gesetzt. Der Südwestrundfunk (SWR) strebt als Übergangsphase eine Koexistenz der alten und neuen Technologie an, sodass die bereits bestehenden Broadcast-Systeme zunächst weiter mit den klassischen Synchronisationssignalen (z.B. Wordclock oder Blackburst) versorgt werden müssen. Da PTPv2 zukünftig das führende Synchronisationssystem im SWR sein soll, müssen Wandler eingesetzt werden, welche aus den PTPv2-Zeitinformationen die klassischen Synchronisationssignale ableiten können (hybride Studiosynchronisation). Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Architektur zu entwicklen, die eine PTPv2-basierte Synchronisation im gesamten SWR-Netzwerk ermöglicht. Des Weiteren sollen verschiedene hybride Wandler auf deren Eigenschaften untersucht werden, um einschätzen zu können, welche produktiv eingesetzt werden können.