Optimierung der Leistungsaufnahme eines solarbetriebenen Ad-Hoc-Netzwerk-Knotens

Diplomarbeit von Christian Schulz

Einleitung:

Die Problematik der Energieversorgung ist bei allen autonomen mobilen Systemen, die energetisch von der Außenwelt abgeschnitten sind sehr ähnlich: Die Lauffähigkeit basiert zu 100 % auf interne Energiespeicher (meist Akkumulatoren), in Ausnahmen zusätzlich noch auf Komponenten zur Energieerzeugung (z.B. Solarzellen). Im Gegensatz dazu haben klassische Netzwerkknoten - Wireless LAN Router und Access Points ohne Routing Funktionalität keine derartigen Probleme: Sie sind für den Einsatz am Stromnetz, in Büro- oder Wohnräumen konzipiert. Hier arbeiten sie zuverlässig und benötigen im Dauerbetrieb konstant zwischen 5 und 10 Watt.

In manchen Situationen hingegen, ist es ökonomisch nicht sinnvoll (bei weit entfernten oder schwer zugänglichen Außenstationen) oder schlichtweg unmöglich (Gebäude mit Denkmalschutz) einen solchen Netzwerkknoten zu betreiben, weil eine Anbindung an das Stromnetz nicht möglich ist. In diesen Fällen werden besonders angepasste Systeme eingesetzt: Handelsübliche WLAN Router werden in ein Verbundsystem, u.a. bestehend aus Akkumulatoren, Solarzellen und Steuerelektronik integriert. Die so erreichte dauerhafte totale Unabhängigkeit vom Stromnetz macht den Einsatz an besonders lohnenden Orten erst möglich. Diese aus Sicht der Netzabdeckung lohnenden Positionen sind meist Punkte in großen Höhen wie z.B. an Kirchtürmen, auf Dächern oder Bergen.

Um die herkömmlichen Geräte mit Stromsparmechanismen und einer Energieverwaltung auszustatten sind einige Anpassungen notwendig. Der Logik des ursprünglichen Verwendungszweckes nach, kann dies nur in einem sehr begrenzten Rahmen stattfinden, da sich allein durch softwaretechnische Veränderungen eine optimale Anpassung an den mobilen Einsatz nicht vollständig herstellen lässt.

Der hier verwendete Prototyp, bestehend aus einem WRT54GL WLAN-Router und Blei-Säure Akkumulator, verbraucht durchschnittlich 7 Watt und läuft bis der Akku entladen ist und die angeschlossenen Solarzellen nicht mehr genügend Strom für den Betrieb liefern.

Hier wird sehr deutlich, dass ohne effziente Steuerung der Lade- und Entladevorgänge bzw. ohne intelligente Energieverwaltung eine dauerhafte Funktion nicht gesichert ist. Das langfristige Ziel ist daher, vergleichbar mit dem Energiemanagement von Notebooks, in einer ähnlich aufgebauten Verwaltungssoftware die notwendigen Anpassungen und Einstellungen auf dem WLAN Router dynamisch in Echtzeit vorzunehmen, um eine Adaption an das sich ständig wechselnde Umfeld zu erreichen. Eine so implementierte, intelligente Verwaltungsstrategie sichert über einen langen Zeitraum hinweg die volle (zumindest jedoch eine eingeschränkte) Funktionalität.

Bei vorhandenen Systemen sind ohne adaptive Verwaltung oft Leistungseinbußen erkennbar, die sich entweder durch verringerte Übertragungsleistungen im Netzwerk oder geringere Akkulaufzeiten bemerkbar machen. In der Folge sind solche Systeme meist gekennzeichnet durch eine starke Überdimensionierung des Akkumulators.

Genau an diesem Punkt setzt diese Arbeit an: Mit den vorhandenen Ressourcen werden Berechnungen zur verbleibenden Laufzeit unter Berücksichtigung zusätzlicher Parameter wie Tageszeit, Temperatur, Netzwerkauslastung, momentane Leistung des Solapanels und Wettervorhersagen sowie dem erwarteten Energieertrag angestellt. Diese Entscheidungsfindungs- und Steuerungsprozesse sichern durch langfristige Planung einen dauerhaft abgesicherten Betrieb unter ökonomischen Rahmenbedingungen.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist demnach die Entwicklung oben erwähnter Verfahren und Algorithmen zur Energieverwaltung und die Implementation auf einem autonomen, linuxbasierten, prototypischen WLAN Netzwerkknoten.

Inhaltsverzeichnis:

Kapitel 2.5, Entwurfsmethoden, Analysemethoden:

In diesem Kapitel werden einige der eingesetzten Entwurfsmethoden erläutert und auf die in der Umsetzung verwendeten Analysemethoden eingegangen. Die Analysephase markiert den Start und Ansatzpunkt der Entwicklung. Zum Einsatz kommen Assoziationsketten mit Pfaddiagrammen, aus welchen durch eine hierarchische Anordnung und Vorsortierung eine Basis für alle weiteren Methoden, entsteht.

In der anschließenden Planungsphase kommen Werkzeuge zur Visualisierung einzelner Prozessabläufe zum Einsatz. Mit dem Ziel grundlegende Abläufe klar und einfach darzustellen und sie zwecks Bildung von Gruppen zuordnen zu können, werden Mindmaps eingesetzt. Sie bilden den Grundstein für die Weiterentwicklung der Projektteilabschnitte.

Mit dem Entwurfsprinzip des Divide-and-Conquer (Teile und Herrsche) sind alle logisch zusammengehörigen Funktionen (z.B. Funktionen der Kapazitätsberechnung) in Unterprogrammen und Modulen zusammengefasst. Zur Abbildung des Eingaberaumes (vgl. Kapitel 3.3) wurden separate Funktionen angelegt, um den Eingabe- und Ausgaberaum zu bearbeiten.

Zur rechenzeitoptimierten Implementation auf der Zielplattform überführen mathematische Approximationsverfahren wie lineare Regressionen, Gauß Algorithmus sowie LaGrange Polynominterpolationen die Messwerte in einfach berechenbare mathematische Gleichungen. Ausschlaggebend für den Grad der Genauigkeit der Abbildungen (Interpolationsgrad) ist die Relevanz, die Komplexität und der behaftete Fehler der zugrunde liegenden Messdaten. Für einfache Interpolationen linearer Abhängigkeiten wie die Berechnung der Batterielebensdauer, kommen lineare Regressionen zum Einsatz.

Für Abhängigkeiten höheren Grades hingegen kommen Polynome mit dem Grad 3 zum Einsatz. In Kapitel 3 werden diese Zusammenhänge genauer untersucht.

Konzeption der Verwaltungsmodelle:

Dieses Kapitel bildet einen Schwerpunkt der Arbeit. Es beschäftigt sich mit der Konzeption und Umsetzung eines Lösungsansatzes zur Bearbeitung der Problemstellung.

Der Prozess der Entwicklung beginnt bei der Konstruktion eines Gedankenmodells und läuft bis zur Vorstellung geeigneter Konzepte zur Umsetzung dieser. Von großer Bedeutung sind die Konzepte wiederum in Kapitel 4 und 5 und ermöglichen dort eine funktionsfähige Implementierung auf der Zielplattform.

Übersicht:

Die Grundlage der Ausarbeitungen zu diesem Thema basieren auf einer theoretischen Basis von Messdaten, auf physikalisch-mathematischen Systemeigenschaften und Spezifikationen des Prototypen, sowie auf den vorgegebenen Rahmenbedingungen der Arbeit.

Prinzipiell werden, beginnend mit einer Übersicht des Prototypen und dessen Struktur in Abb. 3.1, alle Lösungsansätze im Laufe der Bearbeitung in den folgenden Abschnitten verfeinert, um im Kontext der Simulation und Programmierung Anwendung zu finden.

Der enge Zusammenhang zwischen Energieerzeugung (Solarpanel), Energiespeicherung (Akkumulator) und Energieverbrauch (WLAN-Router) kommt in Abb. 3.1 klar zum Ausdruck und demonstriert die Notwendigkeit einer Verwaltung dieser Ressourcen (siehe Abbildung 3.1: Systemaufbau und Architektur des Prototypen).

Das OpenWRT Betriebssystem des Routers ist ein Ort, an welchem das Konzept zur Verwaltung der Energieressourcen verankert werden kann. Um den Zugriff auf alle Daten und Schnittstellen zu gewährleisten, ist seine zentrale Stellung daher von hoher Bedeutung.