Heft 83/2008

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie


 

Heft 83/2008

PINK, Sönke

Entwicklung und Erprobung eines multifunktionalen Geo-Sensornetzwerkes für ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen

Dissertation
180 S.

Auflage:  200

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Einleitung



Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktor-Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuss  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Caspary
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Heunecke
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. T. Wunderlich
3. Berichterstatter: apl. Prof. Dr.-Ing. habil. H. Heister

Diese Dissertation wurde am 14. Mai 2007 bei der Universität der Bundeswehr München eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  19. September 2007
 



Inhaltsverzeichnis

Einleitung
 
5
1.  Sensornetzwerke 6
     1.1  Aufbau eines Sensornetzwerks 6
     1.2  Anwendungsgebiete für WSN 10
            1.2.1  WSN als Steuerungssysteme 10
            1.2.2  WSN als Modellierungssysteme 11
            1.2.3  WSN als Überwachungssysteme
 
11
2.  Geo-Sensornetzwerke 12
     2.1  Allgemeines 12
     2.2  Ablauf einer Überwachung 13
            2.2.1  Datenerfassung 14
            2.2.2  Datenaufbereitung 15
            2.2.3  Datenauswertung 16
     2.3  Ziele der Erfassung von Objektveränderungen 17
     2.4  Systeme für ingenieurgeodätische Überwachungs-
            messungen

19
     2.5  GeoSN für ingenieurgeodätische Überwachungs-
            messungen
 

21
3.  Sensorkomponente eines GeoSN 25
     3.1  Optisch messende Sensoren 27
            3.1.1  Motorisierte Tachymeter 27
            3.1.2  1-Knoten-Netzwerk 30
            3.1.3  Digitalnivelliere 31
     3.2  GPS-Empfänger 32
            3.2.1  DGPS 36
            3.2.2  DGPS mit RTK 37
            3.2.3  DGPS mit Post Processing 38
     3.3  Geotechnische Sensorik 40
     3.4  Gegenüberstellung 43
     3.5  Sonstige Sensoren
 
44
4.  Kommunikationskomponente eines GeoSN 46
     4.1  Allgemeines 46
     4.2  Datencodierung durch Applikationen 49
            4.2.1  Quellcodierung auf Sensorebene 51
            4.2.2  Nutzung von ASCII 52
            4.2.3  Binäre Codierung 56
            4.2.4  Checksumme 57
            4.2.5  Datengenerierung der Applikationen 57
     4.3  Datenübertragungstechnik 61
            4.3.1  Kommunikationsschnittstellen 61
            4.3.2  Kommunikationsprotokolle 62
                      4.3.2.1  Serielle Datenübertragung 63
                      4.3.2.2  Datenübertragung im Ethernet LAN 64
            4.3.3  Übertragungsmedien 66
                      4.3.3.1  Leitungsgebundene Datenübertragung 68
                      4.3.3.2  Drahtlose Datenübertragung 69
                                   4.3.3.2.1  Datenfunk 70
                                   4.3.3.2.2  WLAN 73
                                   4.3.3.2.3  Bluetooth 76
     4.4  Zusammenfassung
 
77
5.  Realisierung des Systems GeoSN UniBw 78
     5.1  Zentralstation 78
     5.2  Sensorik 80
            5.2.1  Low-Cost-GPS-Empfänger 80
            5.2.2  High-End-GPS-Empfänger 82
            5.2.3  Motorisierter Tachymeter und Digitalnivellier 83
            5.2.4  Geotechnische Sensoren 84
     5.3  Kommunikationshardware 84
            5.3.1  Kabelverbindung 84
            5.3.2  Datenfunk 85
            5.3.3  Ethernet-LAN 86
            5.3.4  Infrastrukturelles WLAN 88
            5.3.5  Konfiguration des WLAN 90
     5.4  Kombination mit drahtgebundenem Netzwerk 92
            5.4.1  Internetanbindung 92
            5.4.2  Fernwartung 92
            5.4.3  Fernwartung im Betrieb 92
            5.4.4  Drahtgebundene Repeater 93
     5.5  Herstellung der Sensorknoten
 
93
6.  Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw 97
     6.1  Vorabkonfigurationen 97
     6.2  Aufgaben des Systemprogramms GeoSN UniBw 98
            6.2.1  Initialisierung des Systems 99
            6.2.2  Datenerfassung und Kommunikation 102
            6.2.3  Datenaufbereitung 104
                      6.2.3.1  GrafNav 104
                      6.2.3.2  GrafNav in LabVIEW 105
            6.2.4  Datenauswertung
 
108
7.  Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw 109
     7.1  Tests zu grundlegenden Funktionalitäten 109
            7.1.1  Test zum Temperaturschutz eines Sensorknotens 109
            7.1.2  Test zum Stromverbrauch bei Feststromanschluss 110
            7.1.3  Test zur Stromversorgung mit Solarenergie 110
            7.1.4  Test zum Datenhandling über WLAN und COM-Server 111
            7.1.5  Test zu Verbindungen innerhalb des WLAN 112
            7.1.6  Ausreichende Datenübertragungsbandbreite 112
            7.1.7  Ausreichende Auswertekapazität 112
     7.2  Verifizierung der Gesamtfunktionalität des GeoSN UniBw 113
            7.2.1  Realisierung eines Systemaufbaus 113
                      7.2.1.1  Zentralstation 114
                      7.2.1.2  Sensoren im GeoSN UniBw 116
            7.2.2  Untersuchungen zur Genauigkeit und Zuverlässigkeit 117
            7.2.3  Aufdeckung periodischer Erscheinungen 121
            7.2.4  Soll-Ist-Vergleich mit simulierten Bewegungen 123
                      7.2.4.1  Konstruktion eines Bewegungssimulators 124
                      7.2.4.2  Ergebnisse
 
125
8.  Zusammenfassung und Ausblick
 
129
Anlage 1    GeoSN UniBw Testsystemkonstellation 131
Anlage 2    Untersuchung zu WLAN-Verbindungen 132
Anlage 3    Nutzbarkeit unter extremen klimatischen Bedingungen 135
Anlage 4    Untersuchungen zum Stromverbrauch der Sensorknoten 138
Anlage 5    Programmumsetzung GeoSN UniBw 142
Anlage 6    Untersuchungen zur Kommunikation 149
Anlage 7    Konfiguration von analogen Sensoren 155
Anlage 8    Auswertung einer Messreihe GeoSN UniBw 157
Anlage 9    Kostenübersicht GeoSN UniBw 160
Anlage 10  Glossar für Kommunikationsbegriffe
 
162
Abbildungsverzeichnis 167
Tabellenverzeichnis 168
Literaturverzeichnis 169
Web-Literaturverzeichnis
 
177
Lebenslauf 179
Dank
 
180

 
Einleitung

Seit der Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung und –übertragung ist der Bedarf an Informationen und deren verzugslosen und möglichst umfangreichen Bereitstellung für potentielle Nutzer kontinuierlich gewachsen.

Die ständig voranschreitende Vernetzung des weltweiten Datenverkehrs etwa über das Internet führte schließlich zu der Überlegung, auch „die Natur zu vernetzen“. Dabei sollen beliebig geartete Phänomene über eine große Anzahl von Sensoren erfasst und deren Messwerte einem Nutzer bereits auf die wichtigen Informationen reduziert zur Verfügung gestellt werden. Diese Form der vernetzten Datenerfassung über Sensoren wird Sensornetzwerk bzw. drahtloses Sensornetzwerk genannt.

Ziel dieser Arbeit wird im Weiteren sein, zunächst den Fachterminus der drahtlosen Sensornetzwerke zu erläutern und bereits bestehende Verknüpfungen zur Geodäsie zu betrachten und zu bewerten. Anschließend soll die Thematik auf die ingenieurgeodätische Überwachungsmessung übertragen werden. Es werden dabei die wesentlichen Gemeinsamkeiten, aber auch die signifikanten Unterschiede zu bisherigen Ausprägungen von Überwachungsmesssystemen herausgestellt.

Die Erkenntnisse dieser Vergleiche und die Schlussfolgerungen für die Nutzung von Ansätzen aus dem Bereich der Sensornetzwerke für ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen werden bei den anschließenden Betrachtungen für Sensoren und Kommunikationseinrichtungen dazu genutzt, die optimale Kombination aus Sensor und Kommunikation für das multifunktionale Geo-Sensornetzwerk (GeoSN) UniBw auszuwählen.

Die Entscheidungen bezüglich Sensorik und Kommunikationsmittel werden dann in einer soft- und hardwaretechnischen Umsetzung realisiert. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Zerlegung der Vorgänge bis zur Ausgabe eines für ein ingenieurgeodätisches Überwachungssystem nutzbaren Ergebnisses gelegt, da sich dieser Bereich mit der wesentlichen Konzeption von Sensornetzwerken überlappt und in der Planung eines Projektes immer der erste Schritt sein muss.

Die Verifizierung des GeoSN UniBw bezüglich seiner Nutzbarkeit als ingenieurgeodätisches Überwachungssystem in realen Anwendungen sowie die Bewertung der Messergebnisse bezüglich Auflösung und Genauigkeit bilden den Abschluss der Arbeit.

 

 
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