Das DIAMANT-Projekt umfasst die folgenden 6 Arbeitspakete:

In diesem Arbeitspaket wurden Teilprojekte zusammengefasst, die zur effizienten Entwicklung einer Cross-Plattform für hochzuverlässige verteilte Systeme beitragen.

Das Ziel einer C-P Softwareentwicklungsplattform ist es, eine Abstraktionsschicht zu realisieren, die Anwendungen und Anwendungsentwicklern die Details der Zielplattform, also des Betriebssystems und der Hardware, verbirgt. Im Rahmen dieser Aufgabe soll eine solche Abstraktion geschaffen werden. Hierfür müssen unterschiedliche Hardware-Plattformen und Betriebssysteme auf ihre Eigenheiten hin untersucht werden. Anschließend werden die gefundenen Funktionen zu Gruppen zusammengefasst, für die im folgenden Schritt geeignete systemunabhängige Schnittstellen spezifiziert werden. Diese Schnittstellen stellen dem Anwendungsentwickler dann quasi Standardinstruktionen bereit, die keine Hardware- oder Betriebssystem (BS)-spezifische Funktionalität mehr enthalten. Die darunterliegende Funktionalität muss jedoch auf unterschiedlichen Hardwareplattformen oder BS bereitgestellt werden. Die dazu benötigten Adapter werden ebenfalls in dieser Aufgabe implementiert. Insgesamt wird durch diesen Ansatz die Portierbarkeit von Anwendungen deutlich verbessert, da „nur“ noch die Abstraktionsschicht an neue Zielplattformen angepasst werden muss. Dies wird den Entwicklungsaufwand für neue Anwendungen und Prototypen erheblich verringern.

Diese Aufgabe untersucht zwei unterschiedliche Zielrichtungen. Zum einen soll ein Leitfaden zur Weiterentwicklung der C-P-Plattform entwickelt werden, zum anderen soll eine Anleitung für Anwendungsentwickler erstellt werden, der die Realisierung effizienter Anwendungen unterstützt.

Effiziente Anwendungsentwicklung
Hier werden geeignete Vorgehensweisen zur Implementierung von portablen Kommunikationsprotokollen und Anwendungen untersucht. Hierzu wird für die in AP1.1 entwickelten Adapter der Zeit- und Speicher-Overhead bestimmt. Hieraus werden dann Hinweise zur Verwendung bzw. Vermeidung bestimmter Konstrukte bei der Anwendungsentwicklung abgeleitet.

Erweiterung der C-P-Plattform 
In dieser Teilaufgabe wird spezifiziert wie zusätzliche Schnittstellen zur Erweiterung der Plattform definiert werden müssen. Zusätzlich werden Strategien zur effizienten Realisierung von Betriebssystem- und Hardware-Adaptern untersucht, die in einen Leitfaden für die Erweiterung der Plattform einfließen. Dieser Ansatz wird dann in AP1.4 für die Erweiterung der Plattform bereits verwendet.

In dieser Aufgabe werden Telemedizin- und Telematikanwendungen genau untersucht, um die Anforderungen für einen Sensor- und Aktornetzeinsatz insbesondere im Hinblick auf Zuverlässigkeit zu definieren. Da eine analytische Auswertung nicht immer ausreicht, werden die Grundmechanismen empirisch bewertet. Hierzu werden insbesondere Erfahrungen aus früheren Projekten und auch von Kooperationspartnern aus den entsprechenden Anwendungsfeldern berücksichtigt und analysiert.

Im Rahmen dieser Aufgabe werden geeignete verallgemeinerbare Lösungen aus den Arbeitspaketen 2 bis 4 in die Cross-Plattform integriert. Dazu werden aus den Lösungen der APs 2-4 geeignete und bewährte Pattern (Gebrauchsmuster/Ansätze) nach der Cross-Plattform Methodik erstellt. Das erlaubt eine schnelle und zuverlässige Integration der untersuchten Mechanismen aus den anderen APs bei der Realisierung neuer Systeme und Anwendungen.

In diesem Arbeitspaket werden  Methoden zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit in verteilten Anwendungen unter Berücksichtigung von Hard- und Software untersucht.

Diese Aufgabe untersucht unterschiedliche Gründe für Unzuverlässigkeit in komplexen Anwendungen der hier besonders betrachteten Anwendungsbereiche. Diese kann man in drei Gruppen aufteilen: unzuverlässige Hardware, Softwarefehler und Probleme mit drahtloser Kommunikation. Hier werden geeignete Experimente für die zurzeit verwendete Hardware definiert, die im Anschluss ausgeführt werden. Dabei sollen die vorhandenen Systeme mit Sensorknoten erweitert werden, um die Wirkung der Umgebungsbedingungen, z. B. hohe und niedrige Temperatur, Veränderungen der Betriebsbedingungen wie Spannungsschwankungen etc. zu spezifizieren und zu quantifizieren.

Hardware-Zuverlässigkeit
Zunächst werden Techniken zur Erkennung und Beseitigung von Fehlern in Hardware untersucht. Dazu gehören vor allem auf Redundanz basierende Techniken, wie TMR (Triple Modular Redundancy) or DMR (Dual Modular Redundancy). Solche Techniken betreffen sowohl digitale Komponenten, wie Prozessoren oder Flip-Flops (digitale Bausteine), als auch analoge Bauteile, wie Kondensatoren, Widerstände usw. Zusätzlich kann man unter-schiedliche Typen von Komponenten parallel nutzen. Zum Beispiel ermöglicht die Verwendung zweier unterschiedlicher Prozessortypen eine noch bessere Fehlererkennung, falls einer der Prozessoren interne Fehler aufweist. Redundanz in Sensornetzwerken bedeutet auch, dass mehrere Knoten oder Sensoren das Gleiche (z. B. Temperatur) messen. Im Falle eines Knoten- oder Sensorausfalls wird eine Messung mit anderen Knoten oder Sensoren weitergeführt. Zusätzlich kann man mit mehreren Messergebnissen deren Richtigkeit prüfen, wie im TMR Verfahren. Um die Wirkung der schlechten Umgebungsbedingungen, wie hohe Temperatur, zu minimieren, werden Ansätze, wie Bauform oder Gehäuse näher betrachtet. Dementsprechend werden geeignete Experimente durchgeführt, die den Einfluss solcher Maßnahmen quantitativ aufdecken. Zusätzlich können Hardware-Komponenten durch Sensorknoten hinsichtlich ihres Verhaltens und ihrer physikalischen Parameter wie Temperatur, und hinsichtlich ihrer Umgebungsparameter, wie Luftfeuchtigkeit überwacht werden. Diese Daten können Hinweise auf Alterungsprozesse der Bauteile und mögliche Ausfälle der Komponenten liefern. Mit Hilfe der Signifikanzanalyse, einem am IHP entwickelten Algorithmus, soll insbesondere das Verhalten von Bauteilen in der Zukunft abgeschätzt werden, um so zusätzliche Zeit für präventive Wartungsmaßnahmen zu erreichen.

Verbesserung der Softwarezuverlässigkeit
Es wurden bereits viele Techniken entwickelt, die die Softwarezuverlässigkeit gewährleisten, indem sie Softwarefehler in einem frühen Entwicklungsstadium vermeiden oder entdecken helfen. Solche Techniken wurden aber für größere Anwendungen und nicht für eingebettete Systeme entwickelt. Deswegen müssen die Beschränkungen von eingebetteten Systemen betrachtet werden, um solche Techniken anzupassen und anzuwenden. Beispielsweise implementiert man Testfunktionalitäten parallel zur eigentlichen Applikation, um Fehler möglichst früh zu erkennen. Solche Testfunktionalitäten passen üblicherweise nicht in den begrenzten Speicher eines Sensorknotens. Zudem werden Hardwarelösungen zur Beseitigung von Softwarefehlern untersucht. Zum Beispiel besitzen viele Mikrokontroller sog. Watchdog-Funktionen, die regelmäßig durch Software anzusprechen sind. Wenn aber die Software dies nicht tut, z. B. wegen eines Softwarefehlers, startet der Watchdog die Software neu. Da aber nicht jeder Softwarefehler mit einem Watchdog oder mit anderen Techniken zu beheben ist, sollen die potenziellen Fehler klassifiziert werden. Danach wird entschieden, welche Tech-niken für Anwendungen aus den Bereichen Telemedizin und Telematik angewendet werden sollen. Schließlich werden Ansätze zur Reprogrammierung vom komplexen Anwendungen der Bereiche Telemedizin und Telematik näher betrachtet, weil man im Falle eines Softwarefehlers eine neuere Softwareversion auf alle Knoten aufbringen muss.

Als Teil der Fehlerbehandlungstechniken sollen Ansätze untersucht werden, die eine Verteilung von Aufgaben innerhalb von komplexen Systemen vorsehen. Auf diese Weise können u. U. Auswertungen von Daten innerhalb der Systeme verschoben werden. Damit werden evtl. Parameter der Systeme wie erreichbare Antwortzeiten schlechter, es könnte dadurch aber eine Nutzbarkeit von teilweise fehlerhaften Systemen sichergestellt werden, die ohne solche Mechanismen vollständig ausfallen würden.

Zuverlässige drahtlose Kommunikation
Hier werden verschiedene Techniken betrachten, die mit unzuverlässiger drahtloser Kommunikation umgehen. Dazu gehören vor allem Ansätze, die eine Empfangsbestätigung verlangen und nicht bestätigte Nachrichten neu senden (ARQ, Automatic Repeat Request). Um das Risiko der hohen Bitfehlerrate (BER, Bit Error Rate) zu minimieren, verwendet man Techniken, die Redundanz in jede Nachricht integrieren, z. B. Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) oder Netzwerkkodierungen (Network Coding). Es gibt bereits viele Protokolle, die mit Knotenausfällen umgehen oder das Problem von Stauung (engl. congestion) beheben. Da solche Anwendungen bereits eingehend erforscht wurden, konzentriert sich diese Untersuchung auf die Eignung solcher Techniken für Telemedizin- und Telematikanwendungen.

Alternative Übertragungstechniken
In manchen Fällen können übliche Kommunikationstechniken, wie z. B. IEEE 802.15.4, nicht angewendet werden, weil sie andere Kommunikationsgeräte stören können oder selber gestört werden. Zusätzlich kann aus Sicherheitsgründen eine Kommunikation in einem bestimmten Frequenzbereich nicht zugelassen sein. Deswegen werden drahtlose Kommunikationstechniken in unterschiedlichen Frequenzbereichen untersucht. Die neue UWB (engl. Ultra-wideband) Technik bietet eine gute Alternative für die Kommunikation besonders im Innenbereich, da sie durch andere Kommunikationsarten kaum beeinflusst wird und auch andere Übertragungstechniken nicht stört. Ein UWB Funkmodul wurde bereits im TANDEM Projekt entwickelt und wird bereits verwendet. Im schlimmsten Fall darf drahtlose Kommu-nikation nur begrenzt oder gar nicht angewendet werden. Deswegen untersucht dieses Projekt zumindest konzeptionell auch andere Übertragungstechniken, wie Power Line Commu-nication (PLC) oder Ultraschallübertragung.

Hier werden hauptsächlich Ansätze entwickelt oder angepasst, die Softwarefehler reduzieren und mit der unzuverlässigen drahtlosen Kommunikation umgehen können. Obwohl entsprechende Hardwareansätze bereits früher untersucht wurden, werden sie nicht selber entwickelt. Falls solche Ansätze notwendig sind, wird man auf fertige Lösungen zugreifen und sie anwenden. In dieser Aufgabe werden alle entwickelten Mechanismen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit in Telemedizin- und Telematikanwendungen, sowohl in einer Simulationsumgebung als auch im Feldtest, eingesetzt und bewertet.

Um die Integrität der Daten und ihre Vertraulichkeit zu sichern werden geeignete kryptographische Verfahren benötigt. Diese müssen auf die Zielsysteme angepasst, also z. B. entsprechend leichtgewichtig sein. In den besonders berücksichtigten Anwendungsgebieten spielen neben den technischen Parametern auch rechtliche und soziale Aspekte eine wichtige Rolle hinsichtlich der Verwendbarkeit bzw. Akzeptanz der Lösungen durch die Kunden. Diese Aspekte sollen in dieser Aufgabe mit betrachtet werden:

  • Risikountersuchung im Bereich drahtloser Übertragung von privaten Daten
  • Datenschutzrechtliche Aspekte
  • Akzeptanz ausgewählter Lösungen
  • Evaluierung von Sicherheitsmechanismen in eingebetteten Systemen, wie „lightweight“ Verschlüsselung, Authentifizierung, usw.
  • Entwicklung ausgewählter Mechanismen

Alle in diesem AP entwickelten Ansätze werden in das Gesamtsystem eingebunden, das in AP1 defi-niert wird. Zum Beispiel müssen alle auf Software-basierenden Mechanismen die Voraussetzungen des Cross-Plattform-Designs erfüllen, damit sie auf allen betrachteten Hardwareplattformen ausführbar sind.

In diesem Arbeitspaket werden energieeffiziente Mechanismen für Telemedizin-, Telematik- und DSANe-Anwendungen untersucht und entwickelt.

In dieser Aufgabe werden hauptsächlich Ansätze für energieeffiziente Sensornetzwerke untersucht. Dazu gehören sowohl Hardwarelösungen als auch energieeffiziente Übertragungsprotokolle. Die erste Gruppe fasst low-power Prozessoren, Transceiver, usw. zusammen. Zu den energieeffizienten Protokollen gehören vor allem MAC Protokolle, die ein sog. low duty cycle unterstützen, und auch unterschiedliche Routing-Protokolle. Es wird vor allem die Übertragbarkeit dieser Ansätze in die Anwendungsbereiche Telemedizin und Telematik betrachtet.

Hier werden innovative Ansätze für Energieeffizienz entwickelt, die sich besonders für Telemedizin- und Telematikanwendungen eignen. Falls keine der vorhandenen Hardware/Softwareplattformen aus den Anwendungsbereichen Telemedizin und Telematik bzw. vorhandene Sensorknoten die An-forderungen solcher Anwendungen erfüllt, wird eine Hardware angepasst oder entworfen. Im Anschluss werden geeignete Übertragungsprotokolle entwickelt, vor allem energieeffiziente MAC- und Routingprotokolle.

Diese Aufgabe bewertet die entwickelten Lösungen für Energieeffizienz mit Hilfe von Simulatoren. Danach werden die Lösungen in je einer Anwendung aus den Bereichen Telemedizin und Telematik getestet und bewertet

Alle in diesem AP entwickelten Lösungen werden in die Methodik aus AP1 integriert.

Dieses Arbeitspaket befasst sich mit der Untersuchung der Zusammenarbeit von komplexen Anwendungen aus den Bereichen Telemedizin,Telematik und Sensornetzwerken mit anderen Netzwerken, wie LAN oder Internet.

Da sich die Kommunikationsschemata für unterschiedliche Netzwerkarten stark voneinander unter-scheiden, müssen effiziente Protokolle für den Datenaustauch untersucht und entwickelt werden. Statt gleiche Adressierung, Protokolle, usw. in den unterschiedlichen Netzwerken einzuführen, was zu einem großen Kommunikationsaufwand führt, soll ein intelligentes Gateway entwickelt werden, das zwischen den Netzwerken vermittelt. In dieser Aufgabe werden die Telemedizin und Telematik Anwendungen näher betrachtet und ein Gateway für existierende Telemedizin- und Telematiknetzwerke definiert. Falls neue Übertragungstechnologien, wie 60 GHz oder UWB, genutzt werden sollen, werden auch hierfür entsprechende Protokolle an Telemedizin- und Telematikanforderungen angepasst. Die Tragfähigkeit der untersuchten Lösungen wird durch die Realisierung eines Gateways für eine ausgewählte Anwendung überprüft.

Damit Endnutzer komplexe Anwendungen der Bereiche Telemedizin und Telematik untersuchen, steuern und warten können, wird eine Management Anwendung mit einem benutzerfreundlichen Interface entwickelt.

Diese bietet die folgenden Funktionalitäten:

  • Warnungen bei Veränderung der Betriebszustände (Temperatur etc.), Problemen wie Havarien, leere Batterien, usw. (Feedback System)
  • Manuelle Konfiguration und Re-Konfiguration der Hardware und Software sowie der Netzwerkparameter, wie z. B. die Einstellung der Frequenz von Datenmessungen mit Sensoren
  • Anpassung des gewünschtes Niveaus von Zuverlässigkeit durch Adaption der Energiekosten und der Lebensdauer von Hardware-Komponenten und Sensorknoten

Hierfür müssen geeignete Datenaustauschmechanismen für die Wartungsnachrichten in komplexen Systemen entwickelt werden.

Die entwickelten Ansätze und Methodiken werden im Rahmen von Telemedizin- und Telematikanwendungen umgesetzt und evaluiert.

Damit das Gesamtsystem eingehend getestet und evaluiert wird, müssen entsprechende Werkzeuge entwickelt werden. Zuerst wird ein sog. Testbed entwickelt, d.h. ein einmal ausgebrachtes Sensornetzwerk, das von einem Rechner konfigurierbar ist und für mehrere Testversuche verwendet werden kann. Zu den Werkzeugen gehört auch ein Simulationssystem, das ermöglicht große Netzwerke auf einem Rechner zu definieren und zu testen. In dieser Aufgabe werden vorhandene Netzwerksimulatoren angepasst, um die entwickelte Software für Telemedizin- und Telematikanwendungen zu testen. Demzufolge werden auch Ansätze zur Fehlererzeugung, wie Paketverluste, und statistische Methoden der Fehlerbewertung, z.B. mittlere Betriebszeit zwischen Ausfällen/Fehlern (engl. Mean-Time-Between-Failures), entwickelt. Außerdem wird ein reales Telemedizin- bzw. Telematikszenario umgesetzt, wobei alle Systemkomponenten zusätzlich über ein Backbonenetzwerk (z.B. Ethernet) ver-bunden sind. Das Backbonenetzwerk dient dazu, die Teilsysteme zu programmieren, in der Laufzeit zu steuern und Messergebnisse zu einem Monitoringrechner zu führen.

In dieser Aufgabe werden ausgewählte Telemedizin- und Telematikanwendungen aus AP1 entwickelt und für den Endtest angepasst. Kommunikationsprotokolle, die für Testzwecke entwickelt wurden, werden hier an die anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst.

Das Gesamtsystem mit allen Mechanismen wird in Telemedizin- und Telematikanwendungen evalu-iert. Das umfasst Tests mit einem Simulator, in dem Testbed und im Feld. Der Feldtest prüft auch die Zusammenarbeit vom Sensornetzwerk und dem Telemedizin- und Telematiknetzwerk.

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes werden sämtliche betriebswirtschaftliche und ausgründungsvorbereitende Aufgaben bearbeitet.

Um einen Überblick über das Marktpotenzial und das wirtschaftliche Umfeld von Sensorknoten zu gewinnen, werden potenzielle Anwender auf Messen und Fachtagungen identifiziert und angespro-chen. Anhand der gewonnenen Kontaktdaten werden die Anwender auf ihr Lead-User Potenzial hin überprüft und eine Lead-User Datenbank erstellt. Mittels dieser Datenbank sollen dann für die ver-tiefende Marktanalyse sowie für die Konkretisierung der Geschäftsidee Lead-User gewonnen wer-den. Die Vorbereitung der Fachmessen und -tagungen ist ebenfalls diesem Paket zuzuordnen.

Technologie-Screenings sind regelmäßig stattfindende Diskussionsrunden, bei denen Wissenschaftler und Experten neue Technologieentwicklungen und Forschungsergebnisse am IHP vorstellen und hinsichtlich ihrer Zukunftsfähigkeit diskutieren. Sie dienen der Identifizierung von Verwertungspotentialen, welche zusammen mit Lead-Usern auf ihre Markttauglichkeit hin überprüft werden sollen. Die Technologie-Screenings sind als ein systematischer, pro-aktiver Prozess zu verstehen und bilden zugleich die Grundlage für die Erarbeitung einer realisierbaren Verwertungsstrategie.

Anwenderspezifische Problemstellungen werden in Zusammenarbeit mit potenziellen Lead-Usern besprochen sowie technologische Lösungsansätze skizziert und diskutiert. Auf Basis dieser Erkennt-nisse und derer aus der Marktanalyse werden Geschäftsideen konkretisiert.

Weitere Aktivitäten im Rahmen dieses Paketes sind:

  • Diskussion von Verwertungsoptionen mit Unternehmen
  • Kreativ-Workshops mit Studenten
  • Gründungsseminar in Zusammenarbeit mit der BTU oder EUV (Vorstellung von Forschungsergebnissen zur gemeinsamen Ausarbeitung weiterer Verwertungsmöglichkeiten, speziell unter betriebswirtschaftlichen und unternehmensorganisatorischen Gesichtspunkten)

In diesem Paket werden potentielle Zielmärkte wie Automatisierungstechnik, Ambient Assisted Living (AAL) und Umweltmonitoring analysiert. Mit Hilfe dieser Analyse sollen Marktnischen identifiziert werden. Um ein gezieltes Vorgehen der Analyse zu ermöglichen, wird eine Art Leitfragebogen entwickelt. Anhand dessen sind u. a. folgende Fragen zu klären:

  • Wie ist der Status Quo?
  • Wie groß ist der Gesamtmarkt hinsichtlich Umsatz und Absatz?
  • Wie wird der Markt segmentiert?
  • Welche Haupteinflussfaktoren wirken auf die jeweilige Branche?
  • Welche Trends sind zu erwarten bzw. zeichnen sich bereits ab?
  • Wodurch wird die Entwicklung beeinflusst (gesetzgeberische Initiativen, neue Technologien)?
  • Welche Eintrittsbarrieren bestehen und auf welche Weise lassen sich diese überwinden?
  • Wie verläuft die Preisentwicklung in den jeweiligen Branchen?
  • Wer sind die Zielgruppen?
  • Wer sind die Mitbewerber und Zulieferer?

Es ist vorgesehen in Kooperation mit potenziellen Lead-Usern weitere kommerziell etablierte und potenzielle Sensormärkte herauszukristallisieren.
Zu besseren Abschätzung des Risikos im Falle einer Unternehmensausgründung sowie zur besseren Reaktion auf unvorhergesehene Marktgeschehnisse werden die relevanten Zielmärkte kontinuierlich beobachtet. Darüber hinaus erfolgen ständige Informationsaustausche mit den Lead-Usern.

Neben der Ausgründung als eine Verwertungsmethode sollen weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Verwertungsaktivitäten untersucht werden. Hierbei sollen speziell die Verwertungswege der Patentierung, Lizenzierung, Kooperation und des Verkaufs evaluiert werden. Auf Grundlage der Technologie-Screenings soll eine realisierbare Verwertungsstrategie erarbeitet werden. Während der Entwicklung und Umsetzung der geplanten Verwertungsstrategie ist nicht auszuschließen, dass weitere Kompetenzen (z.B. Beratungsgespräche mit Verwertungsexperten) in Anspruch genommen werden müssen.

Der Businessplan bildet die Grundlage für die Ausgründung. Zusammen mit der Engage AG und dem Leibniz Transfer wird auf Grundlage der vertiefenden Marktanalyse und Pilotkundenanalyse ein Geschäftsmodell entwickelt. Dies beinhaltet:

  • Organisation
  • Finanzen
  • Marketingplanung

Für dieses Paket sind folgende Aktivitäten geplant:

  • Feststellen fehlender technischer und eventuell kaufmännischer Kompetenzen
  • Quantifizieren des Fachkräftebedarfs
  • Entwicklung eines Ausbildungsprogrammes gemeinsam mit Unternehmen/IHKs und BTU/Uni Potsdam
  • Im Falle einer eigenen Ausgründung: Suche und Ansprache möglicher Mitarbeiter-Kandidaten

Dieses Paket sieht vor, die Wahrnehmung Brandenburgs als innovative Hightech Region zu stärken. Hierfür sind folgenden Aktivitäten geplant:

  • Befragung zur eigenen Wahrnehmung in der Region
  • Befragung zur externen Wahrnehmung
  • Entwicklung von Ideen zur Präsentation der Region
  • Fortführung des jährlich stattfindenden „Brandenburger Sensornetztages“ in Kooperation mit Brandenburger Unternehmen und Institutionen

Um die als aussichtsreich identifizierten Verwertungsvorhaben voranzubringen, sollen Unterstüt-zungsangebote, wie z.B. EXIST-Forschungstransfer, VIP-Validierung oder KMU innovativ, genutzt werden. Je nach Verwertungsvorhaben sind entsprechend passende Förderprogramme zu identifizieren und Fördermittel zu beantragen.