Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Die Nutzung von Umgebungsenergie ermöglicht bei einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen drahtloser Sensorknoten eine autarke Energieversorgung. Wartungseingriffe sowie unvorhergesehene Energieengpässe begrenzen den autarken Einsatz derartiger Sensorknoten oder erfordern eine deutliche Überdimensionierung der Energy Harvester und Energiespeicher. Anwendungen, wie der Einsatz in unzugänglichen Bereichen, Sensornetzwerken mit einer großen Anzahl von Knoten oder sehr kleinen Knoten / Smart Dust, können unwirtschaftlich werden, wenn kein wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Erreicht ein drahtloser Sensorknoten einen energetisch niedrigen Zustand, ist es für einen erneuten Start erforderlich, dass zusätzlich zu einer ausreichenden Spannung genügend Energie für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei zu zeitiger Aktivierung wird der Startvorgang aufgrund der einbrechenden Spannung nicht abgeschlossen und verhindert die Aufnahme des Betriebs. Ein Voltage Supervisor wird benötigt, um den Startvorgang so lange zu verzögern, bis ausreichend Energie für diesen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Voltage Supervisor für das Energiemanagement umgebungsenergieversorgter Sensorknoten vorgeschlagen. Die Herausforderungen liegen in der Realisierung einer definierten Abschalt- und Startcharakteristik, auch bei langsamen oder variablen Spannungsanstiegen, in der Implementierung einer Kaltstartfähigkeit und im zuverlässigen Schaltverhalten unter widrigen Umgebungsbedingungen oder niedrigem Energieeintrag. Für eine hohe Effizienz wird bei jeder Spannung ein geringer Eigenleistungsverbrauch gefordert. Im Ergebnis wird ein Konzept vorgestellt, welches einen zuverlässigen wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Funktionen, wie die Abschaltung des Mikrocontrollers nach Erledigung der Aufgabe, ermöglichen darüber hinaus, weniger Energie als im Schlafmodus zu verbrauchen. Mit dieser Methode kann ein intermittierender Betrieb in Abhängigkeit der verfügbaren Energie realisiert werden. Simulation, experimentelle Untersuchung und die Einbettung in einen umgebungsversorgten drahtlosen Sensorknoten validieren die Funktionsfähigkeit unter allen gestellten Anforderungen. Der mittlere Eigenleistungsverbrauch der vorgeschlagenen Schaltung liegt bei 5,58 µW. Bei niedrigen Spannungen von 0 V – 1,4 V werden lediglich 568 nW benötigt. / The use of ambient energy enables an autonomous energy supply for an increasing number of wireless sensor node applications. Maintenance interventions or unforeseen energy input drops limit the autonomous use of such sensor nodes or require significantly oversized energy harvesters and energy storages. Applications such as the use in inaccessible areas, sensor networks with a large number of nodes or very small nodes / Smart Dust can become uneconomical, if no maintenance-free operation can be guaranteed. If a wireless sensor node reaches an energetically low state, it is necessary for a restart, that sufficient voltage and in addition sufficient energy is available for the starting process. In the case of too early activation, the starting process will not be completed due to the voltage drop and will prevent the start of operation. A Voltage Supervisor is required to delay the start until sufficient energy is available. Within the scope of this thesis, a voltage supervisor for the energy management of environmental-powered wireless sensor nodes is proposed. The challenges are in the realization of a defined switch-off and start characteristic even with slow or variable voltage slopes, a cold start capability and in reliable behaviour under adverse environmental conditions or low energy input. For high efficiency, a low power consumption is required at every voltage. As result, a concept is presented which enables reliable maintenance-free operation. In addition, the microcontroller can switch itself off completely after completion of the task and thus consume even less energy than in sleep mode. With this method, intermittent operation depending on the available energy, can be realized as well. Simulation, experimental investigation and inclusion in an energy harvesting supplied wireless sensor node validate the functionality under all given conditions. The average power consumption of the proposed circuit is 5.58 µW. At low voltages in the range 0 V - 1.4 V only 568 nW are required.