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Entwicklung und Erprobung eines multifunktionalen Geo

1. GeoSN UniBw Anlage 10 WLAN Wired WEP Verschl sselung von WLAN Signalen auf Basis eines Equivalent Pri vorgegebenen 64 bzw 128 Bit Schl ssels en Die Verschl sselung wird am Access Point ber hexade zimale Zeichen vorgegeben garantiert jedoch keine siche re Verschl sselung da Dekodierungsprogramme frei im Internet erh ltlich sind WLAN Wi Fi WPA Verschl sselung auf Basis eines ASCII Strings variabler Protected Access L nge Gilt derzeit als eine sichere Form der Verschl sselung WLAN Client Teilnehmer an einem WLAN i d R ein Rechner der sich ber entsprechende Hardware WLAN Equipment und Antenne sowie notwendige Spezifikationen SSID und Verschl sselung in ein WLAN einh ngt WLAN Access AP Zentrales Ger t in einem WLAN das prinzipiell den ge Point samten Verkehr zwischen den Clients und ggf Bridges regelt Siehe auch Repeater Access Point Root Access Point Bridge und Root Bridge WLAN Bridge Ger t das WLAN Signale in drahtgebundene TCP IP Signale umwandelt Erm glicht die Einbindung beliebig gro er Anzahl draht gebundener Teilnehmer in ein WLAN WLAN Relais Siehe Repeater Access Point bzw Repeater Bridge Station WLAN Repea Relais Stationen f r WLAN Signale um Abdeckungs ter Access Point bereich eines WLAN zu erweitern Der Anschluss drahtgebundener Teilnehmer ist nicht m g lich WLAN Repea Relais Stationen f r WLAN Signale um Abdeckungs ter Bridge bereich eines
2. nnnenennen 121 71 2 4 Soll Ist Vergleich mit simulierten Bewegungen 123 72 4 1 Konstruktion eines Bewegungssimulators eeennnee 124 72 42 Ergebnisse enthalten 125 8 Zusammenfassung und Ausblick u0sssseessnseessnsneeesnnenenennenenn 129 Seite 3 GeoSN UniBw Anlagel _GeoSN UniBw Testsystemkonstellation 131 Anlage2 Untersuchung zu WLAN Verbindungen ee 132 Anlage 3 _Nutzbarkeit unter extremen klimatischen Bedingungen 135 Anlage 4 Untersuchungen zum Stromverbrauch der Sensorknoten 138 Anlage5 _Programmumsetzung GeoSN UniBw nnnnen 142 Anlage6 Untersuchungen zur Kommunikation 149 Anlage 7 Konfigurationen von analogen Sensoren 155 Anlage8 Auswertung einer Messreihe GeoSN UniBw ee 157 Anlage9 Kosten bersicht GeoSN UniBw esennsensnnen 160 Anlage 10 Glossar f r Kommunikationsbegriffe ne 162 Abbildunpsverzeichns a REN Ra 167 Tapellenverzeichn u 168 Elteraturverzeichni ernennen 169 Web Eiterat rverzeichne aaa 177 Lebenslauf seirinin aa aeia a aiet 179 Dank an ne e a E E E EA 180 Seite 4 GeoSN UniBw Einleitung Einleitung Seit der Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung und bertragung ist der Be darf an Informationen und deren verzugslosen und m glichst umfangreichen Bereitstel lung f r potentielle Nutzer kontinuierlich gewa
3. Sensorknoten 1 Zentralstation Sensorknoten 2 Sensorknoten 3 Sensorknoten x Datenerfassung Datenaufbereitung Datenauswertung Abbildung 23 Thematische Elemente des GeoSN UniBw Die Datenaufbereitung soll unmittelbar an die Erfassung anschlie en und muss deshalb in die Software der Datenerfassung integriert oder automatisch aus dieser heraus aufgerufen werden 5 1 Zentralstation Die Zentralstation repr sentiert die Haupt Datensenke des GeoSN Alle Daten der Sensor knoten flie en an dieser Station zusammen Auf dem Rechner dieser Station l uft die zent rale Steuerungsapplikation im Betrieb des Systems und sie bietet die Softwareschnittstelle zur nachgeordneten Auswertesoftware GOCA die ggf ebenfalls auf diesem Rechner l uft oder ber eine weitere Netzwerkverbindung auf einem zweiten Rechner implementiert ist Die Zentralstation ist als handels blicher Arbeitsplatzrechner mit dem Betriebssystem Windows XP bzw Windows 2000 konzipiert um dem Nutzer standardisierte Visualisie rungen und interaktiven Zugriff auf das System zu erm glichen F r den Betrieb dieser Station ist von Indoor Bedingungen mit gesicherter Stromversorgung von 220 Volt und einer stabilen Arbeitstemperatur von ca 20 C auszugehen Aufgrund dieser Vorausset zungen ist die Zentralstation ein Desktop PC ohne gesonderte Anforderungen an Strom versorgung und Robustheit gegen ber Witterungseinfl ssen Seite 78 GeoSN UniBw Kap
4. 125 Abbildung 39 Aufriss der Bewegungsachse des Rovers 5000 ceeennenneen 126 Abbildung 40 Hochwerte der Rover gegen Sollbewegung der Verfahreinheit 126 Abbildung 41 geplante WLAN Verbindung zwischen Knoten 2 und Knoten 4 132 Abbildung 42 geplante WLAN Verbindung ber Knoten 5 nenennee 133 Abbildung 43 realisierte WLAN Verbindung ber Knoten 5 eene 133 Abbildung 44 Temperaturverlauf beim K ltetest 00ennnsnsnenseensenneennnnnen 135 Abbildung 45 Au entemperaturverl ufe vom 17 bis 27 07 2006 ceene 136 Abbildung 46 Temperaturverl ufe der Knoten 3 und 4 vom 17 bis 27 07 2006 137 Abbildung 47 Solarmodule auf Container 9 und 8 u eennsennsennnenennenenneennnen 138 Seite 167 GeoSN UniBw Abbildungs und Tabellenverzeichnis Abbildung 48 Versorgungsspannung des Knoten 3 vom 05 bis 14 05 2006 139 Abbildung 49 Versorgungsspannung des Knoten 3 vom 22 bis 29 05 2006 139 Abbildung 50 Erweiterte Solarmodule des Container 9 nnnnnennnneen 140 Abbildung 51 Versorgungsspannung der Knoten 3 und 4 vom 05 bis 12 07 2006 140 Abbildung 52 Aufbau des Kommunikationstests eennsenseesnnsnennnnnnnnnnnnn nn 154 Abbildung 53 Verh ltnis physikalisches Messsignal elektrisches Messsignal 155 Abbildung 54 Ungefilterte Zeit
5. Besonders hervorgehoben werden muss die Verbindung zur zirkul ren Verfahreinheit auf der das DNA03 Nivellier montiert worden war Diese Verfahreinheit dient der Realisie Seite 153 GeoSN UniBw Anlage 6 rung einer Seitw rtsbewegung des Nivelliers zur Anmessung einer zweiten Referenz Latte da das Nivellier keine eigene Motorisierung besitzt Dieser Schrittmotor besitzt an ders als der Faulhaber Motor keinen zugeh rigen Motion Controller und somit auch keine M glichkeit des Verfahrens ber Steuerbefehle Es wird bei diesem Motor das Ausl sen einer Bewegung lediglich ber Spannungsanlegung an die analogen Stromeing nge er reicht Bei Schrittmotoren ist ber die Anlage von Spannung an einen der analogen Ein g nge neben dem Start auch die Richtung einer Bewegung des Motors w hlbar Die Ein g nge des Motor sind mit den RS232 Steuerleitungen Pin 8 und 9 eines D Sub 9 Steckers Web 24 verbunden worden Durch ein rechnergesteuertes Setzen der jeweiligen RS232 Steuerleitung auf aktiv entspricht high und damit einer Erh hung der Spannung um mehrere Volt kann somit eine Bewegung des Motors ausgel st werden Zus tzlich wurde der maximale Verfahrweg nach rechts und links ber Endschalter begrenzt um ein definiertes Verfahren zu erm glichen Diese Art der Kommunikation entspricht somit nicht einem Befehlsaustausch sondern einer reinen bermittlung von Stromsignalen Aus diesem Grund konnte diese Verbindung auch nicht drahtlos ges
6. Seite 162 GeoSN UniBw Anlage 10 Data Circuit Ter DCE Ger t das den Datenfluss zwischen Datenquelle und Da minating Equip tensenke erm glicht ment Data Terminal DTE Ger t das Daten generiert Datenquelle bzw erh lt Da Equipment tensenke Der Begriff Terminal stellt die Steuerf higkeit der Kom munikation z B Auswahl des Kommunikationspartners dar Datenquelle bergeordneter Begriff f r den OS Teilnehmer an einer Kommunikation der Daten generiert z B ein Sensor Datensenke bergeordneter Begriff f r den OS Teilnehmer an einer Kommunikation der Daten speichert z B ein Rechner Daten bertra Direktionale Daten bertragung auf einem einzelnen gung Simplex Kommunikationskanal in der nur einer der Teilnehmer DTE als Datenquelle funktionieren kann Es k nnen mehrere Datensenken gleichzeitig die bermit telten Daten aufnehmen da die keine Reaktion einzelner Senken erwartet wird Daten bertra Bidirektionale Daten bertragung auf einem einzelnen gung Half Kommunikationskanal in der alle Teilnehmer entweder Duplex Datenquelle oder Datensenke sein k nnen Die Freigabe des Kommunikationskanals ist nur nach Ab schluss einer Daten bertragung eines DTE m glich wobei die Bereitschaft zum Start einer Daten bertragung zwi schen DTE und seinem zugeh rigen DCE beispielsweise ber spezielle Hardwaresignale wie Request to Send RTS und Clear to Send CTS ausgetaus
7. Seriell Telnet und Web Browser Tabelle 11 WLAN Ger te der Firma Cisco Systems im GeoSN UniBw Bei der Auswahl von Infrastrukturelementen ist zu beachten dass Verbindungen zumeist nur unter den Ger ten einer Firma m glich sind In Versuchen wurde festgestellt dass es einer Cisco Bridge nicht m glich war mit einem Dlink Access Point zu kommunizieren und auch eine Linksys Bridge nicht an einen Cisco Access Point angebunden werden konnte Lediglich im Bereich der Clients sind die M glichkeiten des Verbindens mit ei nem WLAN offener gestaltet da hier firmenunabh ngige Standards gew hrleistet sein m ssen Allerdings ist auch dabei die Nutzung einheitlicher Ger te anzustreben da es ins besondere bez glich der Verschl sselungen im WLAN siehe Kapitel 4 3 3 2 2 Unter schiede geben kann Zum Einsatz kamen mehrere Access Points und Bridges sowie die Sonderform der Workgroup Bridge Eine Workgroup Bridge besitzt nicht die umfangreichen F higkeiten einer normalen WLAN Bridge und damit die Einbindung eines nahezu beliebig gro en drahtgebundenen Netzwerkstrangs Dieser Ger tetyp der Firma Cisco erm glicht lediglich 8 drahtgebundenen Clients die Teilnahme am WLAN Aus diesem Grund fallen die Kos ten f r diese Ger te wesentlich geringer als die normaler Bridges aus Da im GeoSN h u fig nur eine begrenzte Anzahl von Clients mit einer WLAN Komponente verbunden sein wird wenn die Bridge Bestandteil eines Sensorknotens
8. Der Datenfunk DF wird in der Regel als eine drahtlose berbr ckung einer seriellen RS232 Datenleitung angesehen Dies liegt im Wesentlichen darin begr ndet dass DF ty pischerweise UHF Frequenzen zwischen 300 500 MHz nutzt die f r freie Nutzung zur Verf gung stehen so lange die Sendeleistung unter einer vorgegebenen St rke zumeist Seite 70 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN 0 5 Watt liegt In diesem Frequenzbereich werden bertragungsraten bis maximal 9600 Bps spezielle Ger te erreichen inzwischen auch bis zu 19200 Bps realisiert was einer Standard bertragungsrate von RS232 Anschl ssen entspricht Auch die Anschlussbuch se der HW SS1 siehe Abbildung 16 ist bei derartigen Ger ten typischerweise bereits als RS232 Anschluss ausgepr gt 88 89 Datenfunk ist in seiner Grundauspr gung eine reine Simplex Datenverbindung wenn die genutzten Ger te jeweils nur Sende und Empfangseigenschaften besitzen Das Medium Luft ist nicht wie eine Drahtleitung in Sende und Empfangsleitung zu trennen und die geringe bertragungsrate macht keine Aufteilung in mehrere logische Kan le mittels Mul tiplexing m glich Sind die Ger te so genannte Transceiver und k nnen sowohl Senden als auch Empfangen so kann auch eine Half Duplex Datenverbindung aufgebaut werden wenn eine entsprechende Funkdisziplin z B im Zuge einer Polling Kommunikation siehe Kapitel 4 2 5 eingehalten wird Ein weiterer wich
9. Gloetzl Loggingeinheit Gloetzl Schlauchwaage Gloetzl MFF 2 12 GHD Stangenextensometer GWW 30 40 en Hardware Schnittstellen 1 x RS232 Nur analoge Stromsignale D Sub 9 Stecker Mehradrige Kabelleitungen drahtgebundene Ubertragungsrate RS232 vom A D Wandler der Loggingeinheit abh ngig 300 19200 Bps Befehlsstruktur Gloetzl Befehlssatz Konfiguration innerhalb der Loggingeinheit Siehe Tabelle 7 Tabelle 5 Beispiele geotechnischer Sensoren und Loggingeinheit der Firma Gloetzl Aufgrund der notwendigen Drahtverbindung zwischen Sensor und Loggingeinheit zur bermittlung der analogen Stromsignale stellt die Loggingeinheit neben der Signalverar beitung zumeist auch die Stromversorgung der Sensoren sicher Dies hat den Vorteil dass die Art des Stromsignals des geotechnischen Sensors variieren kann Es k nnen sowohl Ver nderungen der Spannung als auch der Stromst rke gemessen werden Dar ber hinaus k nnen auch ein Datenspeicher und Steuerroutinen f r angeschlossene Kommunikationsger te in der Einheit implementiert werden Die notwendige Drahtver bindung zwischen Sensor und Loggingeinheit stellt ein besonderes Augenmerk auf die Adaption am zu untersuchenden Objekt heraus Dieser Aspekt muss wie die drahtgebun dene Kommunikation betrachtet werden die in Kapitel 4 behandelt wird Loggingeinheiten besitzen in der Regel umfangreiche Anschl sse f r Sensoren Die Kom bination von Loggingeinheit und
10. berwach ten Ph nomene m glich Die Ber hrungspunkte dieser Systeme zur Geod sie sind vielf ltig Die Anbindung von Informationen wie sie in den WSN durch die Sensorbeobachtungen und die zus tzlichen Knoteninformationen etwa Batterieleistung Kommunikationsreichweite angeschlossene Ger te usw vorliegen an eine Position ist die typische Auspr gung eines Geo Informationssystems Seite 12 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Positionsbestimmung von Sensoren die nicht ber Systeme zu diesem Zweck wie etwa GPS verf gen stellt eine weitere Verbindung zur Geod sie her da die Ans tze die dies bez glich propagiert werden 5 11 sich mit denen decken die zur Ortung in Mobil funknetzen untersucht werden Netzwerke auf Basis optischer Sensoren 12 13 etwa zur milit rischen berwachung von Truppenbewegungen der Beobachtung von Naturr umen und hnlichen Anwendun gen haben Verkn pfungen zum Bereich der Photogrammetrie Die Sensorik soll Bewe gungen aus Bildvergleichen von zeitlich aufeinander folgenden Bildern bzw berlappen den Bildbereichen zweier Sensoren extrahieren Da Bilddaten in der Regel einen enormen Informationsgehalt insbesondere auch nicht relevanter Daten enthalten m ssen diese vor einer Versendung im Netzwerk zun chst vom Knotenrechner auf das Minimum der not wendigen Informationen begrenzt werden Neben den drei angesprochenen Bereichen gibt es noch andere berlappungen etwa
11. elektrisches Messsignal Seite 155 GeoSN UniBw Anlage 7 Soll mit der Schlauchwaage der komplette Messbereich von 10 cm gemessen werden so entspricht ein Stromanstieg von einem mA einer Ver nderung der Wassers ule von 5 mm Begrenzt sich der Messbereich auf 3 cm so k nnen jedem mA 1 5 mm zugeordnet werden siehe Abbildung 53 Da der zugeh rige A D Wandler den kompletten elektrischen Mess bereich nur in bestimmten Schritten diskretisieren kann l sst sich so auch die Anzeigege nauigkeit der Messanordnung steigern So besitzt die MFF2 12 einen A D Wandler mit 16 Bit Aufl sung der ein mA somit wiederum in 65535 Messstellen zerlegen kann Bei ei nem Messbereich von 10 cm entspr che dies einer Aufl sung von ca 76 nm w hrend der Messbereich 3 cm auf ca 23 nm aufgel st werden kann Die Konfiguration eines analogen Sensors und zugeh rigen A D Wandlers muss in der Regel auch die Kalibrierung des Ger ts auf einer Referenz umfassen Dabei werden die Parameter bestimmt mit denen bei der Wandlung des elektrischen Signals in digitale Da ten die physikalische Gr e berechnet wird Bei einer Kalibrierung der Schlauchwaage stellen sich diese Parameter als das Produkt p g welches das Verh ltnis zwischen H hen und Druckmessung widerspiegelt sowie der konstante Faktor p der den Druck in der Nullstellung der Schlauchwaage definiert dar Neben der Kennlinie selbst sind Korrektionen z B aufgrund von Temperaturschwankun gen im s
12. 1 Korrekturdaten bertragung f r GPS RTK Bei entsprechender Vorbereitung kann eine Referenzstation Korrekturdaten f r alle Rover in der Umgebung bereitstellen wenn daf r ein eigener Kommunikationskanal vorgesehen ist Dieses Vorgehen wird beispielsweise im GOCA Monitor prinzipiell und im GOCA DC3 als Option angewendet 32 Seite 58 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN 2 Fest vorkonfigurierte Sensoren Bietet ein Sensor die M glichkeit eine Konfigura tion fest einzuprogrammieren die keine weitere Steuerung von der Zentralstation ben tigt so ist es m glich den Daten bertragungsweg auf die Richtung von Sen sor zur Zentralstation zu begrenzen Diese Form der Daten bertragung kommt be sonders in klassischen WSN h ufig zum Einsatz und findet in einem GeoSN be sonders bei den nicht geod tischen Sensoren Anwendung Eine Half Duplex Daten bertragung ergibt sich insbesondere beim Polling 72 Polling bedeutet eine Frage Antwort Kommunikation zwischen den beiden Open Systems Abbildung 14 OS1 und OS2 OS1 nimmt dabei die Aufgabe des Masters ein der die Daten bertragung initiiert und OS2 repr sentiert den Slave der nur auf Befehle von Seiten des Masters reagiert Zu Beginn der Kommunikation generiert die Applikation auf OS1 ein zu versendendes Datenpaket anschlie end wird OS1 zur Datenquelle und sendet das Paket an die Datensenke OS2 Sobald das Paket von der angesprochenen Applikati
13. DHCP DHCP F higkeit DHCP F higkeit F higkeit TCP IP Port Socket Zugriff Port 8000 Port 3001 Port 3001 und 3002 Port 3001 Tabelle 10 Spezifikationen von untersuchten COM Servern im GeoSN UniBw Neben diesen Ger ten nimmt der zur Verf gung stehende COM Server VS NetCom 413 der Firma Vision Systems 106 eine besondere Rolle ein da er gleichzeitig 4 serielle Schnittstellen mit 4 zugeh rigen Ports in einem Server anbietet Diese F higkeit macht ihn zwar f r die Nutzung als Bestandteil eines Sensorknotens besonders interessant allerdings ist es auch mit Abstand das teuerste dieser Ger te Im LabVIEW Logging Programm siehe Kapitel 6 wird die Kommunikation mit den se riell an einen COM Server angeschlossenen Ger ten auf Basis der TCP IP Ports durchge f hrt siehe Kapitel 4 3 2 2 Die Anbieter der Server stellen aber h ufig auch Software in 35 PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association DHCP Dynamic Host Configuration Protocol siehe Glossar Anlage 10 Seite 87 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Form von COM Port Redirectoren zur Verf gung die es innerhalb des Windows Be triebssystem eines Rechners erm glichen ber die Netzadresse des COM Servers einen virtuellen Rechner COM Port in der Systemsteuerung zu generieren Dies erm glicht es dem Rechner anschlie end mit dem am COM Server angeschlossenen Ger t wie ber einen physikalischen seriellen Anschluss zu
14. Karlsruhe Deutschland 2005 12 Liu Y Gao W Yao H Liu S Wang L Fast Moving Region Detection Scheme in Ad Hoc Sensor Network Computer Science and Technology Department of Harbin Institute of Technology Harbin China 2004 13 Obraczka K Manduchi R Garcia Luna Aveces J J Managing the Information Flow in Visual Sensor Networks The 5 International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications Honolulu USA Oktober 2002 14 Whang D H Xu N Rangwala S Chintalapudi K Govindan R Fallace J W De velopment of an Embedded Networked Sensing System for Structural Health Monitor Seite 169 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis ing Proceeding of the first International Workshop on Smart Materials and Structures Technology 2004 15 Xu N Rangwala S Chintalapudi K K Ganesan D Broad A Govindan R Estrin D A Wireless Sensor Network for Structural Monitoring SenSys 04 Baltimore USA November 2004 16 Welsch W Heunecke O Kuhlmann H Handbuch Ingenieurgeod sie Auswertung Geod tischer berwachungsmessungen Herbert Wichmann Verlag Heidelberg Deutschland 2000 17 Tipler P A Physik 2 Nachruck Spektrum Akademischer Verlag 1998 Deutschland bersetzung des amerikanischen Originals Physics for Scientists and Engineer World Publishers Inc New York USA 1991 18 Cantieni R Dynamische Fahrzeug Br cken Interaktion rci dynamics Ingenieurb ro f r Baudynamik D bendorf S
15. ber Switches und Router in das Medium eingebunden werden m ssen ist beim WLAN die Teilnahme aller WLAN Clients am Medium Luft durch die drahtlose Technik von vorne herein gew hrleistet Der Aufbau dieser speziellen Netzstruktur durch die einzelnen WLAN Clients ist rein Software technisch ber entsprechende Vorgaben an die WLAN 2 Drahtgebundene Punkt zu Punkt Verbindungen sind nur zwischen zwei Teilnehmern m glich Seite 73 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Ausr stung zu t tigen Da die WLAN Frequenzen frei zug nglich sind werden h ufig mehrere WLANs parallel betrieben Um trotzdem eine Zuordnung innerhalb der verschie denen WLANs und damit eine Verbindung zu den gew nschten Teilnehmern zu errei chen werden den normalen Netzprotokollen ber Software verschiedene zus tzliche In formationen angef gt wenn sie in WLAN Signale umgewandelt werden Die wesentli chen Informationen sind dabei die SSID und die WEP Verschl sselung Die SSID gibt jedem WLAN einen Namen Dieser Name ist anschlie end wie die beim Datenfunk ange sprochene Hardwareidentifikation zu behandeln Bereits vor bergabe an die Applikation pr ft das WLAN DCE ob ein Datenpaket seiner SSID zugeh rig ist Ist dies nicht der Fall so wird es umgehend verworfen Da die SSID zumeist unverschl sselt versendet wird ist es prinzipiell jedem WLAN Teilnehmer m glich sich in das Netzwerk einzubin den Die WEP verhindert allerdings d
16. drahtlosen bertragung serieller Verbindungen eingesetzt etwa bei dem TPS1200 System von Leica Geosystems 56 Es bietet aber auch die M glichkeiten zum Aufbau eines Netzwerks Piconet hnlich einem Ad Hoc Netzwerks im WLAN siehe Abbildung 20 Dar ber hinaus besitzt diese Form der drahtlosen bertragung standardm ig eine Adres sierbarkeit hnlich der MAC Adressen in Ethernet Strukturen und Verschl sselungsm g lichkeiten hnlich dem WEP WPA im WLAN Da Bluetooth hnliche Frequenzen wie das WLAN nutzt sind Daten bertragungen im MBits Bereich m glich was es f r die Emulierung serieller Schnittstellen wesentlich um fangreicher m glich macht als mit dem klassischen Datenfunk Durch diese hohen Daten bertragungen sind Bluetooth Verbindungen au erdem duplexf hig Seite 76 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Bluetooth F higkeiten werden standardm ig in immer mehr moderne Ger te integriert da die entsprechende Hardware kosteng nstig hergestellt und mit wenig Energie betrieben werden kann Eine Nutzung solcher bereits integrierter Hardware ist in einem GeoSN so mit durchaus m glich Besitzen Sensoren keine eigenen Bluetooth F higkeiten so k nnen diese auch mittels zus tzlicher Hardware sichergestellt werden siehe Anlage 6 Aller dings sind die Bluetooth Reichweiten auch bei optimalen Bedingungen derzeit zumeist auf 100 Meter begrenzt so dass die Nutzung dieses Kommunikationsmediums n
17. lt 4294967295 m lt 65536 Sensor Knoten 1 OS 2 Applika Applika tion 1 tion 2 Netzwerkanschluss Netzwerkanschluss Netzwerkanschluss IP Adresse 3 Port 1 m IP Adresse 4 Port 1 m 7 IP Adresse n Port 1 m Applikation 1 m Applikation 1 m Applikation 1 m Sensor Knoten 2 Sensor Knoten 3 Sensor Knoten n 1 os 3 OS 4 OS n Abbildung 18 bertragungswege im GeoSN bei Netzwerk Kommunikation 4 3 3 bertragungsmedien Der Aspekt der physikalischen Daten bertragung umschreibt f r den Nutzer welche Technik die tats chlichen Kommunikationsger te anwenden um die digitalen Daten zwi schen Datenstationen bzw Daten bertragungseinrichtungen zu bermitteln Ebene 7 des OSI Modells siehe Abbildung 11 Bei der Daten bertragung muss immer der Schritt zwischen digitalen Daten und analogen Signalen vollzogen werden da letztlich nur analo ge Signale innerhalb eines Mediums verbreitet werden k nnen siehe Abbildung 10 Bez glich des Vorgehens bei dieser Umwandlung sind zwei Methoden voneinander zu unterscheiden die analoge und die digitale bertragungstechnik wobei die analoge Tech nik bereits weitestgehend durch die leistungsf higere digitale Technik abgel st wurde Bei der digitalen bertragungstechnik findet keine eigentliche Umwandlung der digitalen Daten in analoge Signale statt sondern eine Modulation der digitalen Daten auf einen ana logen Tr ger siehe Abbildung 10 Methoden dieser Modul
18. wenn bit O ist 23 aibi mantissa 42 Malz x RE e amp xp bit 2 errechnen l sst Hieran zeigt sich dass einer derartigen Zahlencodierung unbedingt eine zus tzliche In formation in Form einer zweiten Codierung vorausgehen muss die vorgibt ob ein zu un tersuchender Bytestring eine Integer oder eine Float Zahl enth lt Diese Codierungen bin rer Daten werden innerhalb eines Windows Rechners zum Bei spiel ber Dateiendungen erreicht an denen das Betriebssystem erkennen kann mit wel chem Programm eine Datei ein abgeschlossener Bytestring ge ffnet werden muss Die ses Programm kann dann innerhalb des Bytestrings entweder ber so genannte Pr fix oder Header Eigenschaften sowie vorgegebene Trennzeichen abgeschlossene Informati onsbl cke extrahieren Pr fixe und Trennzeichen sind dabei speziell vorgegebene Byteab folgen die in ihrer vordefinierten Form nicht innerhalb einer Nachricht auftreten k nnen Wird ein Programm zum Lesen von Daten genutzt das die entsprechende Datencodierung nicht enth lt so ergeben sich falsche Informationsdarstellungen Von derartigen Codie rungen sind auch die Verh ltnisse von Dateigr e zu enthaltenen Informationen abh ngig So ist es ber Codierungs oder auch Formatwechsel m glich Datenmengen ohne wesent lichen Datenverlust enorm zu reduzieren Es kann so beispielsweise die Zahl 2 entweder als der 2 Bit Wert 10 oder als der bin re Wert f r das Zeichen 2 aus des
19. wie es in einem WSN gefordert ist unm glich Der Kostenaspekt leitet zur wichtigsten Besonderheit dieser Ger te f r ihren Gebrauch als Sensor ber die besagt dass sie auf das zus tzliche Gegenst ck Prisma zur Durchf hrung einer Messung angewiesen sind Reflektorlose Messoptionen von Tachymetern sollen hierbei au er Acht gelassen werden da das reflektorlose Messen derzeit keine M glich keit der automatischen Zielfindung unterst tzt Eine Integration einer parallel zur reflek torlosen Streckenmessung durchgef hrten Digitalaufnahme in den Messvorgang und eine photogrammetrische Auswertung mit dem Ziel einer Mustererkennung ist zwar f r Stan dardinstrumentarium m glich 52 wird aber von den Herstellerfirmen noch nicht als werkseitige Messoption angeboten Prismen m ssen fest installiert und dabei m glichst exakt auf den Tachymeter ausgerichtet sein Bei schlechter Ausrichtung k nnen Fehlmessungen durch falsche Strahlenwege in nerhalb des Prismas auftreten Auch eine Verteilung von mehreren Prismen in einem zu dichten Raster kann Fehler bei der automatischen Anzielung verursachen da der Tachy meter das anzufahrende Prisma durch mehrere Intensit tsmaxima auf dem CCD Chip der automatischen Zielfindung nicht mehr identifizieren kann Seite 29 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Im Terminus des WSN f hrt die Kombination mit dem Gegenst ck Prisma sowie die Ei genschaften und der hohe Preis des eigentliche
20. 3000 4000 und 5000 angeschlossen sind Die Stromversorgung ist ber Feststrom sichergestellt In diesem Sensorknoten sind COM Server der Firma W amp T integriert und er ist zum Schutz gegen Witterungseinfl sse neben dem Stahlschrank zus tzlich in einer Zargeskiste verbaut siehe Anlage 3 Die drei Seite 116 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw SMART ANTENNAS sind in einer festen Anordnung zueinander auf einem Holzbrett verschraubt siehe Abbildung 36 Im Zuge der Erweiterung des Abdeckungsbereiches des GeoSN durch das WLAN GEOSN UNIBW2 siehe Kapitel 7 2 1 wird eine Repeater Bridge with Clients im Sensorknoten 5 eingesetzt die neben der Funktion als Kommunikationselement des Sen sorknotens auch die Weiterleitung der Daten der zwei Sensorknoten 3 und 4 an die Root Bridge des Knoten 2 bernimmt Es handelt sich somit um die Sonderform des Knoten typs 2 In diesem Knoten wurden au erdem anders als bei dem Knoten 1 f r Rover 3000 5000 neben einigen RS232 COM Servern vom Typ UDS100 auch COM Server mit RS485 Anschl ssen vom Typ MSS 485 siehe Tabelle 10 verbaut An zwei dieser Server wurden anschlie end 2 SMART ANTENNAs Rover 8000 und 9000 die auf dieses Pro tokoll spezifiziert waren angeschlossen Eine Kombination dieser unterschiedlichen Pro tokolle ist somit durch den Einsatz der entsprechenden Hardware m glich Die Sensorknoten 3 und 4 mit Rover 6000 und 7000 im GEOSN UNIBW2 stelle
21. 5 NMEA National Marine Electronics Association 6 DGPS Differentielles GPS Seite 33 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN DGPS Korrekturen empfangen k nnen eine externe Steuerung ber einen Rechner ist aber in der Regel nicht vorgesehen oder nur umst ndlich realisierbar Teilweise wird f r diese Gruppe von Empf ngern auch die Bezeichnung Handheld Empf nger angewen det Allerdings ist diese Bezeichnung nur f r die Ger te zutreffend bei denen auch die GPS Antenne bereits integriert ist und die f r eine einfache GPS Nutzung im t glichen Gebrauch konzipiert wurden Derartige Ger te werden etwa von den Anbietern Garmin und Magellan vertrieben siehe Tabelle 3 Diese Ger tetypen k nnen zumeist nicht extern gesteuert werden und liefern auch keine Genauigkeiten im angestrebten Spektrum Die eingebauten GPS Chips besitzen keine M glichkeiten zur Tr gerphasenmessung und die DGPS F higkeit ist lediglich auf SBAS und ggf Codekorrekturen ber Radiosignale bei Integration eines Radio Empf ngers ausgelegt und somit auf Genauigkeiten im Meter bis maximal Dezimeter Bereich begrenzt Sie sind somit f r die weiteren Betrachtungen unin teressant In den Bereich der manuell zu bedienenden GPS Empf nger f r die die Bezeichnung Handheld nicht zutrifft fallen die Lotstock Versionen von geod tischen GPS Empf ngern die f r hoch genaue kinematische oder Stop and Go Vermessungen einge setzt werden 48 siehe T
22. 9 laufen somit parallel zu 3 und 4 Wurde eine neue Speicherdatei angelegt so kann mit der Vorbereitung der GrafNav Berechnung f r die alte Speicherdatei begonnen werden 1 Erzeugung eines zugeh rigen Cluster Arrays mit Informationen zu der alten Spei cherdatei a Empf ngername b Aufgabe Referenz oder Rover c Aufzeichnungsrate d Name der Speicherdatei e Start und Endsekunde dieser Speicherdatei f Vorgegebene Koordinaten 2 Erzeugung der Konfigurationsdateien cfg Dateien f r GrafNav Wurde der Array f r alle derzeit aktiven Empf nger mit aktuellen Werten gem 5 1 belegt ber ein Boolean Element im Cluster verdeutlicht werden die Konfi gurationsdateien cfg Dateien f r GrafNav erzeugt a Herausziehen der Cluster f r Referenz und Rover Empf nger aus dem Array b bergabe der Cluster f r jeden Rover und die Referenz an eine Subroutine zur Erzeugung einer cfg Datei GrafNav Konfigurationsdatei o Die cfg Datei besitzt einen fest vorgegebenen Aufbau in den die Daten aus den Clustern eingesetzt werden c Speichern der Namen der cfg Dateien ber ein Array abgespeichert 6 Verarbeitung der Rohdaten Nachdem die letzte cfg Datei erzeugt wurde Array aus Programmpunkt 5 gef llt sind die Voraussetzungen zum Starten von GrafNav gegeben Bevor GrafNav gestartet wird muss allerdings sichergestellt sein dass alle Dateien von WPConvert siehe Programm punkt 4 2 umgewandelt worden sind Daz
23. Ad Hoc WLAN nn en 73 Abbildung 21 Infrastrukturelles WLAN csssesssenseesennsnnennnennennenensnennn nenn nnen anna 75 Abbildung 22 Fresnelellipsoid zwischen zwei WLAN DCE ceeensennennn 75 Abbildung 23 Thematische Elemente des GeoSN UniBw ensnnnnnennenennnn 78 Abbildung 24 Hardware Ausstattung eines Desktop PC f r die Zentralstation 79 Abbildung 25 LAN und WLAN Einstellung im GeoSN UniBw eneneenene 91 Abbildung 26 Fernwartung im Messgebiet 2022scssesssessensnnennnennnnnsnnnnnnnne nennen 93 Abbildung 27 Sensorkneten Typl a 94 Abbildung 28 Sensorknoten Typ 2 aan ann 95 Abbildung 29 Systemprogramm GeoSN UniBw nnsennsensnnssennnnennenennenen 99 Abbildung 30 Blockdiagramm der Initialisierung eeennennennen 101 Abbildung 31 Blockdiagramm der Datenaufzeichnung nennen 103 Abbildung 32 Blockdiagramm Datenaufbereitung eenenennenenenennn 107 Abbildung 33 Zentralstation GeoSN UniBw cseseseensessensnesnnnnnennennennee nenn 114 Abbildung 34 Repeater Rechner san a aa 116 Abbildung 35 Periodische Effekte bei Rover 3000 4000 und 5000 122 Abbildung 36 Aufbau der Rover 3000 4000 und 5000 2202susnsesseessnnnsnenennennenn 123 Abbildung 37 Verfahreinheit mit montierter SMART ANTENNA een 123 Abbildung 38 3 dimensionale Lage der Bewegungsachse des Rovers 5000
24. Befeh len und Nachrichten Da jedes moderne Betriebssystem grunds tzlich mit einfachen Texteditoren wie Wordpad oder Notepad unter MS Windows oder dem VI unter Linux ausgestattet ist bietet der Punkt a Nutzern die M glichkeit Daten von derartigen Sensoren auch ohne spezielle Programme zu betrachten und die Messwerte bei Kenntnis der aufgesetzten Firmencodie rung zu analysieren Befehls bersendung zu diesen Sensoren ist mit zumeist ebenfalls im Betriebssystem integrierten einfachen Terminalprogrammen wie Hyperterminal unter Windows und Minicom unter Linux m glich Die Punkte b und c umschreiben die gute Zerlegbarkeit einer ASCII Nachricht ber Zei chensuchroutinen Ein ASCII String l sst sich bei Kenntnis der genutzten Trennzeichen relativ einfach unterteilen so dass die einzelnen Nachrichteninhalte besser dargestellt wer den k nnen Die Nutzung von ASCII erm glicht es auch Sensormessdaten Standardstrukturen zuzu weisen um herstellerunabh ngige Interoperabilit t zu erreichen Derartige Standardisie rungen sind aber nur sinnvoll wenn die Nutzercommunity derartiger Sensoren entspre chend gro ist So entstand etwa f r den gro en Anwenderkreis der GPS Nutzer das ASCH basierte NMEA Format Dieses Format machen sich unter anderem die Systeme f r Fahrzeugnavigation zu Nutze die zur Masse rein software und nicht hardwarebasiert arbeiten Es werden dabei etwa Low Cost OEM GPS Empf nger verschiedener Hersteller etwa UBLOX G
25. Datenfunkger te im System GeoSN UniBw Seite 85 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Neben den Datenfunkger ten selbst sind als zus tzliche Komponenten insbesondere die Antennen von Bedeutung Antennen stellen sich in der Regel in zwei Versionen dar der Rundstrahl oder Omni und der Richt oder Direktionalantenne 101 Die Rundstrahlantenne ist hierbei als lang gezo gener fester Antennenstab A 2 Antenne f r station ren Einsatz oder als Miniflex Antenne ausgepr gt in der die A 2 Forderung siehe Kapitel 4 3 3 2 entweder mittels gewickelter Leitung oder ber eine Verk rzung der Antenne z B auf A 4 sowie die an schlie ende Nutzung des Funkger tegeh uses als Gegengewicht zur Verl ngerung auf A 2 erreicht wird Zur Erh hung der Empfangsleistung kann die Antenne ggf weiter verl n gert werden Die Direktionalantennen sind zumeist als Yagi oder Patch Antennen ausge pr gt Die genauen Funktionsweisen in der Antennentechnik k nnen 101 entnommen werden Nach der A 2 Forderung ergeben sich f r die Wood amp Douglas Ger te die auf der speziellen 2 m Band Frequenz 143 9125 MHz des Geod tischen Labors der UniBw ar beiten gro e und schwere Antennen L nge einer Stabantenne mindestens 1 04 m 5 3 3 Ethernet LAN Gem der Vor berlegungen aus Kapitel 4 4 liegt der Hauptanteil der Kommunikations strukturen des GeoSN UniBw in der Anwendung von Ethernet Verbindungen Zur Nut zung dieser Kommu
26. Jose USA M rz 2005 www cisco com 109 Application Note Linking to GrafNav s Post Processing DLLs Precise GPS DLL Version 7 00 Waypoint Consulting Inc Calgary Alberta Canada 2000 2003 110 Produktbeschreibung Gebrauchsanweisung Solar Controller IVT Innovative Versor gungs Technik GmbH Hirschau Deutschland Juli 2002 www IVT Hirschau de 111 _Produktbeschreibung Ger tebrosch re zu Fast Ethernet Switch Edimax Februar 2002 www edimax com 112 Produktbeschreibung LabVIEW Bibliothek National Instruments Germany GmbH M nchen Deutschland Juni 2004 http www ni com labview d 113 _Informationsbrosch re GOCA DC3 Einsatz im Projekt Gotthard Basistunnel Oktober 2002 www drbertges de 114 Produktbeschreibung Cisco Aironet 350 Series Wireless Bridge Cisco Systems Inc San Jose USA Mai 2002 www cisco com 115 _Produktbeschreibung Motion Controller f r DC Mikromotoren Dr Fritz Faulhaber GmbH amp Co KG Sch naich Deutschland 08 Juli 2002 www faulhaber de 116 Produktbeschreibung Leica Laser Tracker Hardware Bedienungsanleitung Leica Geosystems Herbrugg Schweiz 01 Juli 2002 www leica geosystems com 117 Praxis Report Leica AXYZ an Industrial Measurement Software Leica Geosystems Herbrugg Schweiz 2001 www leica geosystems com 118 Produktbeschreibung Bedienungsanleitung Meteo Station HM30 Revue Thommen AG Waldenburg Schweiz Februar 2001 www thommenag ch 119 R m
27. Knoten auch mehrere Sensoren angeschlossen werden k nnen ist hier verwirklicht da an eine Loggingeinheit Sensoren verschiedener Art ange schlossen werden k nnen sofern sie analoge Stromsignale generieren etwa Sensoren zur Bestimmung von Temperatur auf Basis von Widerst nden 45 Die wesentlichen Unterschiede zwischen WSN und GeoSN liegen vor allem bei den tech nischen Besonderheiten die in einem GeoSN auftreten und der zu untersuchenden Gr e die hohe Anforderungen an die Sensorik stellt Das JPL Jet Propulsion Laboratory nennt dieses Vorgehen One size does not fit all was aussagt dass ein Sensornetzwerk an die zu untersuchende Gr e angepasst werden muss insbesondere was Aufbau der Knoten und die Kommunikation betrifft Web 6 F r ein GeoSN muss somit zun chst insbesondere von den folgenden urspr nglichen For derungen an ein WSN abgegangen werden a Ausbringung der Knoten b Stromversorgung und Lebensdauer c Miniaturisierung d Kosten eines Knotens e R umliche Abst nde zwischen den einzelnen Sensorknoten f Datenform und menge eines Sensorknotens Das Ziel in einen GeoSN f r ingenieurgeod tische berwachungsaufgaben ist in der Re gel aus den Messungen der einzelnen Sensorknoten auf die Bewegungen oder Verfor mungen des untersuchten Objektes zu schlie en Das Objekt muss durch Messstellen der Sensorknoten zun chst diskretisiert werden Dies stellt die Anforderung dass die Sensor knoten a
28. Kommunikationskomponente eines GeoSN und einem DTE oder die Konfigurationsm glichkeiten eines Netzwerkger tes ber das Programm Telnet Die Vorg nge innerhalb des Kommunikationsmoduls werden als Black Box betrachtet und lediglich der Aufbau der Kommunikation muss mit entsprechenden Programmfunkti onen initiiert werden Allein die Einhaltung der Spezifikationen des entsprechenden Kom munikationsmoduls m ssen genau betrachtet werden So muss dem Modul durch den Anwender vorgeben werden an welche Senke Daten ber sendet bzw von welcher Quelle Daten empfangen werden sollen Derartige Vorgaben des Zielpunktes der Kommunikation k nnen dabei die Auswahl der genutzten seriellen Schnittstelle oder die Internetadresse des entsprechenden Kommunikationspartners sein Derartige Vorgaben sind auf Softwareseite zu leisten und werden im Kapitel 5 zur Reali sierung des GeoSN UniBw anhand der Steuerung der Kommunikation erl utert Neben diesen Vorgaben zur Durchf hrung einer Daten bertragung muss durch den An wender die physikalische Schicht des Kommunikationsmoduls betrachtet werden da sich in dieser Ebene die wesentlichen Beschr nkungen eines Kommunikationsmoduls wider spiegeln Beschr nkung betrifft dabei vor allem die Reichweite die Geschwindigkeit die Duplex Eigenschaft 70 und die bertragungskapazit t des entsprechenden Kommunika tionsmoduls Nach der Auswahl eines Kommunikationsmoduls durch den Anwender m s sen in der Regel vo
29. Kommunikationsstandards genaue Vorgaben zur Ver kabelung Transmission TCP IP Die TCP IP Protokollfamilie bildet einen Vorg nger des Control Protocol OSI Modells l sst sich durch OSI Modell erl utern ee Proto So bildet das Daten bertragungsprotokoll Ethernet das in Rechnernetzwerken und dem Internet angewendet wird etwa eine Physikalische oder Bit bertragungsschicht und die Internet Transferprotokolle HTTP und FTP Auspr gungen der Anwendungsschicht des TCP IP TCP IP Port Adresskomponente eines Netzwerkprotokolls die Daten Socket bertragungen bestimmten Diensten bei Sender und Emp f nger zuweisen so nutzt etwa HTTP den Port 80 und FTP den Port 21 Die Kombination einer IP Adresse mit einem Port wird als Socket bezeichnet Wireless Local WLAN Rechnernetzwerk auf Basis des TCP IP Internetprotokolls Area Network bei dem die Verbindungen zwischen Rechnern auf Basis von Funksignalen im Frequenzbereich von 2 4 GHz reali siert werden Derzeit standardisiert ber IEEE 802 11b 11 MBps und IEEE 802 11g 54 MBps WLAN Service SSID Identifikationsstring eines WLAN um dieses bei Verf g Set Identifikation barkeit im Client erkennen zu k nnen Der Name l sst sich verschl sseln und wird nicht mehr beim WLAN Client angezeigt Ein Teilnehmer kann sich nur einw hlen wenn er den Namen bereits kennt Trotz Nutzung identischer Frequenzen k nnen mehrere WLAN parallel im Betrieb sein Seite 164
30. Messtech nik DVW Schriftenreihe 42 Fulda 2001 55 Produktbeschreibung Elta S10 und Elta S20 Basic amp Expert Software Bedienungs handbuch ZSP Geod tische Systeme GmbH Jena Deutschland 2002 www trimble com 56 Produktbeschreibung TPS1200 Technisches Referenz Handbuch Version 2 0 Leica Geosystems AG Herbrugg Schweiz 2005 www leica geosystems com 57 Informationsbrosch re Motorisiertte Leica und Zeiss Digitalnivellierger te SOLEXPERTS M nchaltorf Schweiz November 2005 www solexperts com Seite 172 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 58 Informationsbrosch re Motorised Digital Levelling Instrument Angerer Beratende Ingenieure GmbH Regensburg Deutschland 2007 www angerer cps com 59 Preisliste NovAtel Inc Price List NovAtel Inc Calgary Canada Dezember 2003 www NovAtel com 60 Gurtner W Estey L RINEX The Receiver Independent Exchange Format Version 2 11 IGS Central Bureau Information System 6 January 2006 61 Technical Notes Trimble Geomatics Office Trimble Navigation Limited Ohio USA November 2004 www trimble com 62 Dach R Hugentobler U Fridez P Meindl M Bernese GPS Software Version 5 0 Astronomical Institute University of Bern Bern Schweiz Januar 2007 http www bernese unibe ch 63 Produktbeschreibung LGG100 Specification Javad Navigation Systems Inc August 2006 www javad com 64 Produktbeschreibung ALLSTAR USER S MANUAL NovAtel Inc
31. Programm GrafNav ist ein weitgehend herstellerunabh ngiges Prozessierungspro gramm f r GPS Basislinen 41 92 Das Programm ist insbesondere auf die Auswertung eines sich permanent bewegenden Rovers gegen ber einem oder mehreren Referenzemp f ngern ausgelegt dient aber auch der Prozessierung statischer GPS Messungen wie sie im GeoSN UniBw auftreten Eine Prozessierung von GPS Messungen mit diesem Pro gramm l uft ber die folgenden Schritte a Umformatierung der empf ngerspezifischen GPS Dateien in das propriet re Graf Nav gpb Format b Optional Kombinieren oder Zerlegen der Aufzeichnungszeit von gpb Dateien oder Resampeln auf eine h here oder niedrigere Messfrequenz c Prozessierung der Basislinien zwischen zwei GPS Empf ngern Referenz Mas ter Rover Remote d Optional Netzausgleichung der Basislinien zu verschiedenen Referenzen bzw an deren Rovern Bei einer Prozessierung wird vom Programm GrafNav eine Konfigurationsdatei f r jede Basislinie angelegt die alle Angaben zu den beteiligten GPS Punkten und den Parametern der Prozessierung beinhalten Die Angaben zu den Punkten umfassen a Koordinaten b Antennentypen c Aufzeichnungsdaten Speicherort Messzeitpunkt Aufzeichnungsl nge und rate Viele Prozessierungsparameter werden in GrafNav mit Standardwerten belegt etwa zu apriori Genauigkeiten von GPS dem Erkennen von Cycle Slips und der automatischen 38 Die optionalen Schritte 2 und 4 wurd
32. Rohda ten bezeichnet in gew nschter Messfrequenz c SPP Positionsbestimmungen des Empf ngers in einer niedrigen Taktrate Die SPP Positionen dienen nur der groben Positionierung des Empf ngers Die Ephemer iden sind zur Auswertung zwingend erforderlich Es ist allerdings m glich die Ephemer idendaten eines Empf ngers f r alle benachbarten Ger te mit zu nutzen Zu beachten ist hierbei allein dass die gleichen Satelliten empfangen wurden Die wesentlichen Messungen sind die Rohdaten aus denen sp ter f r jeden Messzeit punkt eine Basislinie abgeleitet wird Die Messfrequenz dieser Messungen ist in Regel auf 1 Hz begrenzt einige Firmen bieten auch Empf nger mit bis zu 100 Hz Messrate an 63 wobei solch hochfrequente Messungen teilweise nur interpoliert und nicht tats chlich ge messen werden Trotz bin rer Daten nehmen die Messungen insbesondere bei hohen Taktraten schnell Gr enordnungen an die auch f r dieses Konzept eine besondere Betrachtung der Daten bertragung notwendig machen Im Falle einer Aufzeichnung von Rohdaten eines Seite 39 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN ALLSTAR GPS Empf ngers auf jedem der 12 Kan le mit der maximalen Aufzeichnungs frequenz von 10 Hz ergibt sich eine Datenrate von 11920 Bps 64 Bei einer Nutzung im GeoSN ist es anders als beim bereits beschriebenen RTK System prinzipiell m glich die Datenleitung rein direktional zu halten Wurde der Empf n
33. Rover in GOCA Zun chst ist erkennen dass trotz der Vorgabe einer niedrigen Alarmierungsgrenze nur wenige berschreitungen identifiziert wurden Da eigentlich keinerlei Bewegungen aufge treten sind beweist diese geringe Anzahl scheinbarer Bewegungen wiederum die hohe Datenqualit t der prozessierten Basislinien Durch das Anbringen der Berechnung gleiten der Mittelwerte wurden im Vergleich zu Tabelle 12 und Tabelle 13 zum einen die maxi malen Verbesserungen zu den mittleren Roverpositionen deutlich verringert und zum an deren die empirischen Standardabweichungen aus den Verbesserungen durchg ngig unter 5 Millimeter gesenkt 7 2 3 Aufdeckung periodischer Erscheinungen Wie bereits im Kapitel 2 3 erl utert ist neben der geometrischen Aufl sung der minimal feststellbaren Gr e einer Verformung eines ingenieurgeod tischen Messsystems auch dessen zeitliche Aufl sung von Bedeutung um periodisch wiederkehrende Erscheinungen identifizieren und ihre Ursachen ergr nden zu k nnen Da das GeoSN UniBw eine zeitli che Aufl sung von einem Messwert alle 15 Minuten pro beobachteten Objektpunkt be sitzt k nnen gem der Erfahrungswerte des Kapitel 2 3 Messfrequenz 4 bis 10 mal h her als Frequenz der periodischen Erscheinung st ndlich wiederkehrende Effekte identi fiziert werden Bei den Betrachtungen der Ergebnisse des Systemtests vom 02 bis 08 07 2006 konnte ein periodischer Effekt in den H henkomponenten der drei Rover 3000 4000
34. Tachymeter und Steuerrechner gleichzusetzen siehe Kapitel 4 2 5 Mittels eines On Board Interpreter werden Befehle die von einem Rechner an den Tachymeter gesendet werden in Bewe gungen und Messvorg nge umgewandelt Diese Befehle haben in der Regel eine einfache ASCII Struktur siehe Tabelle 7 in Kapitel 4 2 2 und k nnen von jedem Terminalpro gramm an den Tachymeter bertragen werden Die Antworten sind ebenfalls in ASCII Struktur gehalten und somit leicht auszuwerten Allerdings m ssen bei dieser Art der Befehlsstruktur gewisse Aufbauvorschriften zwin gend eingehalten werden siehe Kapitel 4 2 2 Eine Bereitstellung von DLLs durch die Herstellerfirmen die etwa in C und VisualBasic integriert werden k nnen erleichtert diesen Zugriff da hier s mtliche Befehle bereits in entsprechenden Programmierroutinen implementiert wurden und mit der bergabe allgemeiner Vorgabewerte aufgerufen wer den k nnen Bei fehlerhafter Ausf hrung eines Befehls sendet der Tachymeter fest defi nierte Fehlermeldungen zur ck die im Interpreter ebenfalls beschrieben sind Diese Art der permanenten Ansteuerung des Messger tes im Zuge einer Fernsteuerung l sst den Tachymeter somit bei Nutzung des standardm igen Kabelanschlusses trotz aller bereits integrierten F higkeiten zun chst mehr als Sensorkomponente eines Senorknotens erscheinen Der hohe Preis von mehreren tausend Euro pro Instrument macht den massenhaften Ein satz dieser Art von Sensoren
35. UniBw wurde von vorneherein der Ansatz vertreten die Erfassung und Aufbereitung von der Auswertung zu trennen Als Vorbild dabei diente das System GOCA DC3 Wie bei diesem System sollte die Auswertung von Beobachtungen mit dem Auswertungssystem GOCA durchgef hrt werden so dass sich die Systementwicklung auf die Datenerfassung und aufbereitung konzentrieren konnte Neben den Softwareentwicklungen wurde auch die Hardware f r das System speziell kon zipiert Im Zuge der geplanten Kostenminimierung wurde der Einsatz von Low Cost GPS Empf ngern als Standardsensorik des Systems festgelegt Da diese Ger te bez glich der notwendigen Kommunikation und Datenaufbereitung die h chsten Anforderungen stellen wird eine bernahme der entwickelten Ans tze f r andere Sensorik in nachfolgenden Ar beiten leicht umsetzbar sein Bei der Kommunikation wurde insbesondere die WLAN Technologie eingesetzt die die gew nschten Netzwerkstrukturen erm glicht und durch ihre wachsende Verbreitung in der Computerbranche die positiven Entwicklungen stei gender Leistung bei sinkenden Kosten in Folge der Massenanwendung auch in Zukunft erfahren wird Die Auswahl dieser Hardwarekonstellation macht es m glich ein komplettes System in einer Preisgr e zu beschaffen die in anderen Systemen bereits ein einziger Sensor etwa ein Motorisierter Tachymeter ben tigt Bei der Nutzung dieses Systems ist deshalb ein Ziel die freigewordenen Mittel in eine umfangreichere Anza
36. WSN Neben den physischen Aspekten der Ger te gibt es auch von Seiten des integrierten Rech nerelements Auswirkung auf die Konfiguration f r automatische Messaufgaben Die um fangreichen integrierten F higkeiten des Tachymeters lassen ihn nicht als einfachen Sen sor erscheinen sondern bereits als eine Kombination aus Sensor und Controller Aller dings ist diese Sensor Controller Kombination auch nicht wie ein fertig kKonfigurierter Sensorknoten zu behandeln da er nur eingeschr nkt die F higkeit zum vollst ndig autar ken Arbeiten hat Obwohl einige Ger te prinzipiell die M glichkeit besitzen ber vorkon figurierte Programme im Systemspeicher Messungen nach einer entsprechenden Konfigu ration vor Ort v llig selbst ndig und ohne u eren Zugriff auszuf hren sind diese Art der Programme doch zumeist sehr einfach gehalten Gleichzeitig war es seitens der Hersteller lange Zeit nicht oder nur sehr eingeschr nkt vorgesehen Nutzern die M glichkeit zu ge ben derartige Programme selbst ndig zu entwerfen und auf die Ger te aufzuspielen Erl utert am Beispiel der Tachymeter der TPS1100 Serie von Leica Geosystems 50 stel len sich die tachymeterinternen Monitoring Programme wie folgt dar Es sind zwei On Board Standardprogramme f r berwachungsaufgaben vorgesehen Zum einen das Pro gramm Automatische Speicherung Dieses Programm dient der permanenten Messung eines Punktes der vom Tachymeter im EDM Modus Tracking st n
37. Zwischen schritte ist mitunter sinnvoll wenn dieser Zwischenschritt f r jeden Weg in der sp teren Auswertung notwendig ist Die Erhaltung von Rohdaten ist au erdem zur nachtr glichen berpr fung eines Ergeb nisses z B auf grobe Messfehler erforderlich 2 2 3 Datenauswertung Die Auswertung die ebenfalls in den Bereich der Software f llt beinhaltet folgende As pekte a Filterung der Daten z B zur Eliminierung von Messfehlern b Reduzierung aller Daten auf die relevanten Aspekte c Interpolationen zum F llen von L cken in der Datenmenge falls vorhanden d Aufstellung von Prognosen e Vergleiche zwischen unabh ngigen Beobachtungen oder zu prognostizierten Ob jektverhalten Alle diese Vorg nge der Auswertung werden dabei durch Nutzervorgaben wie etwa Pa rameter einer Filterung beeinflusst und k nnen je nach Art dieser Vorgaben unterschied liche Ergebnisse erzeugen Derartige Ver nderungen des Ergebnisses werden mitunter bewusst durchlaufen um falsche Schlussfolgerungen zu vermeiden Aus diesem Grund ist es notwendig dass in diesen Schritten keine Ver nderungen des eigentlichen Datenbestandes aus Schritt 2 2 2 mehr vorgenommen werden um verschie dene Auswertungen zu erm glichen Die Daten m ssen dazu in einen Zwischenspeicher bernommen oder mit Sicherungskopien gesch tzt werden Die Ergebnisse der Auswertungsschritte sollten ebenso wie die der Aufbereitung behan delt werden Somit m ssen auch h
38. aufgrund der Nutzung des WLAN Standards 802 11b auf 11 MBps begrenzt In den realen Test siehe Kapitel 7 2 1 wurden ber das WLAN GEOSN UNIBWI Daten von 3 Sensor COM Server Kombinationen auf einer WLAN Strecke und im WLAN GEOSN UNIBW2 Daten von 4 solchen Kombinationen bertragen In der Konfiguration waren den angeschlossenen SMART ANTENNA GPS Sensoren Aufzeichnungsraten von 1 Hz vorgegeben worden was maximale Datenerzeugungen von 2440 Bps pro Sensor ergibt Da mit diesen zu bertragenden Datenmengen die 11 MBps der WLAN Verbindung nicht erreicht werden und das TCP IP Protokoll au erdem eine Full Duplex Verbindung zu l sst ist es m glich auch w hrend der Datenaufzeichnung der GPS Sensoren etwa auf die GUI Oberfl chen der COM Server mit Hilfe des Internet Explorer zuzugreifen Die WLAN Verbindungen bieten somit prinzipiell die Integration einer wesentlich gr e ren Anzahl von Sensoren Gem der Angaben der Firma Cisco Systems 114 bleibt die 11Mbit Daten bertragungsrate auch noch auf bis zu 28 9 km erhalten 7 1 7 Ausreichende Auswertekapazit t Im Zuge der Auswertung der erzeugten 15 min Dateien der einzelnen GPS Sensoren sie he Kapitel 7 2 2 mit Hilfe des Programms GrafNav konnte eine mittlere Auswertezeit von 30 sec pro prozessierter Basislinie auf dem genutzten Rechner einem Pentium III festge 4l Sek ndliche Aufzeichnung von Koordinaten 77 Byte und rohen Messwerten 149 Byte sowie einmali ges Abfrage von
39. bertragungseinrichtung Lediglich der MSS VIA COM Server nimmt direkt an dieser bertragung teil da er ber die eingeschobene PCMCIA WLAN Karte siehe Tabelle 10 und Tabelle 11 unmittelbar als WLAN Client DCE WLAN am WLAN teil nimmt wenn die PCMCIA WLAN Karte als zum Server zugeh rig angenommen wird Seite 88 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Die genutzten WLAN Infrastrukturelemente wurden zur Masse dem Angebot der Firma Cisco Systems siehe Tabelle 11 entnommen Aufgrund der angestrebten Kostenminimie rung wurden lediglich Ger te der 802 11b Generation Aironet 340 und 350 verwendet siehe Kapitel 4 3 3 2 2 Cisco Systems 340 Access Point En Cisco Systems 350 Bridge Cisco Systems 340 350 Workgroup Bridge Cisco Systems 350 LMC PCMCIA Card Aufgabe Root Access Point Bridge Client Repeater WLAN Client Grundbaustein des Anbindung eines belie Anbindung eines auf 8 Hardware f r MSS VIA WLAN big gro en drahtgebun Clients begrenzten COM Server siehe Repeater Access Point denen Netzwerkstrangs drahtgebundenen Netz Tabelle 10 Erweiterung der ber Repeater Bridge werkstrangs tragung Erweiterung der ber tragung und Einbindung weiterer Clients Stormversorgung 5V 24 V 5V ber COM Server 800 mA 250 mA 800 mA max 100 mW Konfiguration ber COM Server Konfiguration Seriell Telnet und Web Browser Seriell Telnet und Web Browser
40. das gesamte Areal der UniBw i Nutzung dieser WLAN Verbindung zu zwei autarken Sensorknoten Knoten 3 und 4 auf dem Areal der UniBw j Auswertung der angelegten GKA Dateien auf einem separaten GOCA Rechner mit Anbindung zur Zentralstation ber das Hochschulnetz Der Aufbau des praktischen Tests ist in Anlage 1 vor dem Hintergrund eines georeferen zierten Luftbildes des Universit tsgel ndes dargestellt 7 2 1 1 Zentralstation F r die Zentralstation Abbildung 33 wird ein handel blicher Pentium II Rechner ge nutzt Dieser wurde mit zus tzlicher Hardware in Form einer zweiten Netzwerkkarte so wie einem USB RS232 Wandler f r 4 zus tzliche serielle Schnittstellen versehen WLAN GEOSN UNIBW2 Zentralstation WLAN GEOSN UNIBWI WLAN Omni Antenne Root Access Point o BER ALLSTAR Drahtgebundene Hochschulnetzwerk Development verbindungen zur GOCA Auswertung TER nr Box und Systemteil GEOSN UNIBW2 GPS Splitter Abbildung 33 Zentralstation GeoSN UniBw Hierbei wird kein direkter Weg gew hlt sondern die Netzwerkweiterleitung ber die Router des Rechen zentrums der Hochschule Seite 114 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Die Zentralstation ist mittels einer festen IP Adresse in das Hochschulnetzwerk eingebun den Diese Netzwerkverbindung wird zum einen vom GOCA Auswerterechner genutzt um auf die von der Zentralstation erzeugten GKA Dateien
41. des eigentlichen Inhalts auf Richtigkeit zu berpr fen Dies wird mit der so genannten Checksumme erreicht die ber verschie dene Methoden eine Zusammenstellung aller in der Nachricht enthaltenen Bytes wider spiegelt Diese Checksumme ist insbesondere nach einer Daten bertragung ein wertvolles Hilfsmit tel um zu berpr fen ob der Nachrichteninhalt im Zuge der bertragung und der Ver n derung des Inhalts von X nach Y siehe Abbildung 10 durch u ere Einfl sse verf lscht wurde Zwei Methoden diese Checksumme zu bilden werden etwa bei den ALLSTAR und Mil _Lenium Empf ngern der Firma NovAtel sowie im Leica OWI und LB2 angewendet 64 81 82 83 In einer ALLSTAR Nachricht wird die Checksumme ber die Summe aller Bytewerte in der Nachricht als eine Zahl von 16 Bit L nge errechnet Ist die Summe gr er als ein 16 Bit unsigned integer x gt 65535 so wird dieser berlauf ver worfen und die Summe beginnt wieder bei Null Bin re MiLLenium Nachrichten nutzen die XOR Berechnung der Checksumme Dabei werden die 8 Bitwerte zweier Bytes mit einander verglichen und aus dem Vergleich ein neues Byte erzeugt Ist ein Bit in beiden Bytes entweder 0 oder 1 so wird dieses Bit im Ergebnisbyte zu 0 Hat es in einem der beiden Bytes den Wert 1 und in dem anderen den Wert 0 so wird es im Ergebnis zu 1 4 2 5 Datengenerierung der Applikationen Die Datengenerierung der Applikationen der Senke und Quelle gibt anders als die Codie
42. erdem k nnen die Ausl sungen der Druckschalter in Fahrprogrammen des Motors ber entspre chende Abfragen genutzt werden Diese Fahrprogramme k nnen innerhalb des Faulha berprogramms programmiert und anschlie end ber einen entsprechenden Befehl oder generell beim Einschalten des Motors ausgel st werden Obwohl der Umfang der Programmbefehle begrenzt ist sind folgende Einstellungen m g lich a Programmierung von Warteschleifen ber den internen Zeitgeber b Programmierung von Spr ngen zwischen Subprogrammen ber Erreichen be stimmter Positionswerte oder ber Spannungen an den Hardwareeing ngen c Nutzung aller Bewegungsbefehle des Handbuchs Die Reaktionen auf Spannungseing nge oder Positionswerte und die Integration von Pro grammpausen und Bewegungsbefehlen machen es m glich permanente Bewegungsabl u fe der Verfahreinheit zu programmieren und somit maximale Auslenkungen eines auf den Verfahrer montierten Sensors zu erreichen und Schwingungen zu simulieren Da der Motor lediglich das Verfahren so genannter Motorschrittwerte zul sst wurde die Verfahreinheit mit Hilfe eines Leica LTD 500 Lasertracker 116 auf eine metrische Ge nauigkeit kalibriert Dazu wurde ein Corner Cube Reflektor auf dem Motorschlitten mon tiert und die anschlie end ausgel sten Motorbewegungen kinematisch ber den LTD auf genommen Die Genauigkeit der Koordinatenbestimmung eines Lasertrackers im 1 10 mm Bereich sowie seine hohe Messfrequen
43. glich ist m ssen genaue Zeitfenster de finiert werden die eine Prozessierung erst ausl sen wenn die vorangegangene Prozessie Die Prozessierungsrichtung ist ein Begriff aus der kinematischen Auswertung und bedeutet eine fort oder r ckschreitende Prozessierung ber der Zeit Werden beide Auswerterichtungen anschlie end kombiniert dient dies der optimalen berbr ckung von Bereichen ohne GPS Empfang z B Tunnel Seite 105 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw rung beendet ist GrafNav unterst tzt keine zeitgleichen Prozessierungen Es kann nur eine Basislinie auf einmal prozessiert werden Die Weitergabe der Ergebnisse aus GrafNav in dem spezifischen GKA Format f r die nachfolgende Auswertung in GOCA geschieht ber das speziell gestaltetes Ausgabe Format des Export Wizards Da diese Ausgabe allerdings nicht vollst ndig einem GKA String entspricht und au erdem die Integration dieser Ergebnisse in die eigentliche GKA Datei von GOCA notwendig ist wird eine weitere Aufbereitung der Ergebnisse aus Graf Nav vorgenommen Hierbei werden zun chst Filterungen durch die Steuerungs Software vorgenommen die eindeutige Ausrei er eliminieren Bei den Prozessierungsergebnissen aus GrafNav l sst sich dies etwa ber nicht gel ste Mehrdeutigkeiten einer Basislinie bzw ber die berechneten Standardabweichungen der einzelnen Koordinatenwerte der Basisli nie festlegen In diesem Sinne gepr fte Ergeb
44. hingegen w re eine Ausbreitung mittels Schallwellen nicht m glich Der Zuh rer Senke muss die Schallwellen wiederum ber sein Geh rsystem Empf nger mit Demodulator zur ckwandeln k nnen Im Zuge der Daten bertragung wird dabei die Information X zur Information Y ver ndert Dieser Vorgang umschreibt alle negativen Einfl sse Noise auf die Dateninhalte im Zuge des physikalischen bertragungswegs bei einer Unterhaltung zum Beispiel Hintergrundl rm oder eine Signald mpfung aufgrund einer weiten Entfernung zwischen Sender und Empf nger Schlie lich muss der Zuh rer die Worte des Sprechers verstehen k nnen was bedeutet dass beide die gleiche Sprache sprechen Die Erstellung von Standards zur bergabe bin rer Informationen zwischen Rechnern sog Open Systems OS in einem Netzwerk ist Aufgabenbereich von Normungseinrich tungen wie der ISO die zu diesem Zweck der weltweiten Nutzercommunity von Rech nern die Norm der Open System Interconnection OST 69 70 zur Verf gung stellt Applikation Applikation Verarbeitungs Verarbeitungs schicht schicht 5 Darstellungs Darstellungs Kommunikations Kommunikations A Dat steuerschicht steuerschicht Transport Transport Vermittlungs Vermittlungs Sich ich ie Bit b _ it b z BEE A e Top Bitbertagungs Abbildung 11 Darstellung des OSI Modells analog zu 69 gem DIN bersetzt 18 ISO International Standards Organis
45. im Steuerrechner i Serieller Bluetooth Adapter BTD 430 der Firma Rayson j Datenfunkger t der Firma Zeiss vom Typ DLS70 in Kombination mit dem fest im Zeiss S10 Tachymeter verbauten Ger t gleichen Typs k Datenfunkger t Kombination der Firma Leica Geosystems vom Typ FCPS25 S 1 Edgeport 4 Port USB RS232 Wandler der Firma Inside Out Networks m Serielle und TwistedPair Datenkabel Seite 151 GeoSN UniBw Anlage 6 WLAN LAN Infrastruktur a gt DWL2100AP WAPS4G WET354G ES3108P COM Server re u sa MSS VIA AIR LMC352 CoBox FL Bluetooth A gme BluetoothPRO 2 0 BTD 430 Datenfunk y FCPS25 S Sonstiges Doup L L k nn Tor O amp Edgeport Twisted Pair Serielles RS232 Kabel Netzwerkkabel Tabelle 19 Kommunikationsmittel des Kommunikationstests Seite 152 GeoSN UniBw Anlage 6 Die Verbindungen zwischen Steuerrechner und Sensoren sind wie folgt realisiert a Erweiterung der seriellen Schnittstellen des Laptops mit Edgeport 4 USB RS232 Wandler b serielle RS232 Kabelverbindung zwischen dem Steuerrechner und der zirkul ren Verfahreinheit c serielle RS232 Kabelverbindung zwischen Steuerrechner und Datenfunkger t DLS70 Datenfunkverbindung zwischen DLS70 und Datenfunkger t im S10 d serielle RS232 Kabelverbindung zwischen Steuerrechner und erstem FCPS25 S Datenfunkger t Datenfunkverbindung zwischen erstem FCPS
46. in der Landentwicklung wo allerdings mehr die Ergebnisse eines Sensornetzwerks als des sen Technik im Vordergrund stehen Hier k nnen derartige Informationen zum Umwelt schutz und Landwirtschaftsplanungen heran gezogen werden Schlie lich soll der eigentliche Themenkomplex dieser Arbeit in den Vordergrund ger ckt werden So bietet die Anwendung von Sensor Netzwerken zur berwachung nat rlicher Ph nomene eine sehr hohe berlappung mit dem entsprechenden Themenbereich in der Ingenieurgeod sie wenn das Ph nomen Bezug zu Bewegungen und oder Verformungen eines Objekts hat Sind derartige berwachungen in WSN zurzeit zumeist noch auf seis mische Messungen begrenzt 14 15 so steht im Falle der ingenieurgeod tischen berwachung die hochgenaue Erfassung geometrischer Gr en im Vordergrund 2 2 Ablauf einer berwachung Der Ablauf einer berwachung hat in der Regel das Ziel der Analyse des berwachten Sachverhalts Der Begriff Analyse ist gem Web 4 als Zerlegung eines Ganzen in seine Teile oder auch als die Untersuchung eines Sachverhaltes unter Ber cksichtigung seiner Teilaspekte definiert Betrachtet man diesen Begriff bewusst sehr allgemein so zerlegt sich der Vorgang der Untersuchung eines Sachverhalts in drei Bestandteile die Datener fassung die Datenaufbereitung und die Datenauswertung siehe Abbildung 3 Li Datener Datenaufbe Datenaus Objekt fassung reitung wertung Abbildung 3 Ablauf eines Analysevorgan
47. in bestehende drahtgebundene Netzwerkstrukturen integriert was etwa in einem weit verzweigten Netzwerk bereits berbr ckungen gro er Strecken erm glicht so bernehmen sie gleichzeitig die Aufgabe der Daten bertragung Da bei einer derartigen Nutzung dem Server allerdings eine feste IP Adresse aus einem ggf nur begrenzt vorhandenen Adressensatz zugewiesen werden muss ist diese Nutzung nur sehr eingeschr nkt sinnvoll Vielmehr muss in der Regel ein rein lokales LAN realisiert wer den in dem der Nutzer IP Adressen nach Belieben vergeben kann siehe Abbildung 18 5 3 4 Infrastrukturelles WLAN Um die Verlegung gro er Ethernet Kabelstrecken zu vermeiden die mit Ausnahme der erweiterten Adressierbarkeit keinen wesentlichen Vorteil gegen ber der in 5 3 1 angespro chenen seriellen Kabelverbindung besitzen muss der bergang zum WLAN gew hlt wer den Die fehlende F higkeit einiger der genutzten COM Server zu eigener WLAN Anbindung verhindert einen reinen Ad Hoc Aufbau des WLAN siehe Abbildung 20 da die Infrastrukturelemente Access Points und Bridges zwingend notwendig sind siehe Abbildung 21 Hierbei wird der COM Server als drahtgebundener Client mit einer WLAN Bridge ver bunden die sich wiederum an die WLAN Infrastruktur anbindet In diesem Fall verliert der COM Server die Aufgabe der Daten bertragung sondern steht wie in der Abbildung 21 deutlich gemacht lediglich als Vermittler DCE LAN zwischen dem Sensor DTE und der
48. ist ist diese Beschr nkung uner heblich Da es im WLAN Netzwerk nur einen so genannten Root Access Point bzw eine Root Bridge geben kann die den zentralen bergang zwischen kabelgebundener und drahtloser Kommunikation repr sentieren werden alle weiteren Access Points lediglich als Repeater Seite 89 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw eingesetzt Repeater Access Point erm glichen zwar keinen Anschluss von weiteren drahtgebundenen Clients aber eine Erweiterung des Abdeckungsgebietes des WLAN und somit den Zugang zu weiteren WLAN Clients oder Bridges Repeater Bridges erm gli chen neben der Erweiterung des Abdeckungsbereiches der drahtlosen Kommunikation eine parallele Einbindung weiterer drahtgebundener Clients nur in Verbindung mit einem Access Point in der Konfiguration einer Root Bridge Die Reichweite eines WLAN Ger tes ist von zwei wesentlichen Aspekten abh ngig 1 Der Sendeleistung die allgemein durch Regelungsbeh rden begrenzt ist 107 2 Der genutzten Antenne die bei WLAN Ger ten entweder mit internen Antennen Classic Version oder ber standardisierte Anschlussstecker f r externe WLAN Antennen bereitgestellt wird Um Reichweitensteigerungen der Ger te sowie die M glichkeit zum Einbau in ein festes Geh use Sensorknoten zu erhalten wurden alle Ger te mit Adaptionen f r externe WLAN Antennen ausgestattet Die erforderlichen Verbindungen zwischen den Teilneh mern der WLA
49. kommunizieren So ist es zum Beispiel m g lich mit dem vom Hersteller bereitgestellten Logging Programm siehe Kapitel 5 2 1 und 5 2 2 auf einen GPS Empf nger zuzugreifen der mehrere Kilometer entfernt steht Da diese Programme allerdings zumeist nur auf typische Rechnerschnittstellen ausgelegt sind die in der Regel nur Nummern von COMI bis COM4 annehmen und die maximale Anzahl von COM Ports eines Rechners auch bei virtuellen Schnittstellen begrenzt siehe Abbildung 17 ist ist eine generelle Nutzung derartiger Redirectoren auszuschlie en Trotzdem bieten sie eine gute M glichkeit zur Konfiguration oder Fehleranalyse eines bereits installierten GPS Empf ngers ber das zugeh rige Logging Programm da dies umfangreichere Routinen bietet als die eigens programmierte Software Neben den Redi rectoren werden von den Herstellern der COM Server auch Suchprogramme f r die fir meneigenen Server angeboten die nach entsprechenden Ger ten in allen mit dem genutz ten Rechner verbundenen Netzwerken suchen Dies ist etwa zur Verbindungspr fung der angeschlossenen Ger te noch vor der Inbetriebnahme des Systems sinnvoll Werden die Betrachtungen auf den Aufbau eines Sensorknotens zur ckgef hrt siehe Abbildung 6 so ist erkennbar dass die COM Server zun chst die Datenaufbereitung bernehmen da sie die Aufbereitung der im RS232 Format vorliegenden Sensorwerte in das TCP IP Datenformat der Daten bertragung realisieren Werden die COM Server
50. mindestens doppelt so hoher Frequenz diskretisiert wurde Nyquist Theorem Sichere Aussagen sind allerdings nur m glich wenn die Aufzeichnungsfrequenz 4 bis 10 mal so hoch ist Neben den hochfrequenten Schwingungen sind auch langwellige Schwingungen interes sant die etwa als Folgen von Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht entste hen Temperaturgang Schwingungsperioden k nnen auch in Jahresg ngen etwa zwi schen Sommer und Winter verlaufen Diese Schwingungen sind insbesondere in Bezug auf die Feststellung der Reaktionsverz gerung zwischen Anregung und Verformung und die Amplitude der Verformung von Bedeutung Die Verformung aufgrund von Belastungen wird zum einen im Zuge der fortlaufenden Nutzung eines Objektes betrachtet Derartige Untersuchungen finden insbesondere bei Talsperren und Staud mmen sowie Deichanlagen statt bei denen die Belastung durch das gestaute Wasser entsteht Die Belastung wird dazu ber Pegel und Drucksensoren be stimmt indem ber die H he des Wasserstandes auf den Druck des aufgestauten Wassers auf das Objekt mittels Rechenmodellen geschlossen werden kann Bei einigen Bauwer ken werden h ufig schon beim Bau berwachungssysteme vorgesehen die die Verfor mungen ber Lote Neigungsmesser Weggeber und andere Sensoren bestimmen 16 19 Neben den nat rlichen Gebrauchsbelastungen werden teilweise auch so genannten Belas tungstests durchgef hrt Sie dienen neben der Untersuchung der fortla
51. mit 12 dB Gain dar In ersten Versuchen wurde am Container lediglich eine Yagi Antenne in einer H he von 2 5 m angebracht wobei durch eine leichte Inklina tion eine optimale Ausrichtung auf die Antenne des Repeater Rechners angestrebt wurde Sensor knoten 2 Abbildung 41 geplante WLAN Verbindung zwischen Knoten 2 und Knoten 4 Da unter diesen Voraussetzungen siehe Abbildung 41 keine direkte Sicht keine Verbin dung zwischen Access Point und WLAN Client hergestellt werden konnte wurde in ei nem zweiten Test der Sensorknoten 5 zwischengeschaltet der zus tzlich zur Einbindung weiterer Sensoren in das System einen WLAN Repeater in Form einer Repeater Bridge with Clients darstellt Dieser Sensorknoten wurde auf dem Dach des ehemaligen Tow ers installiert Er wurde mit einer Omni Antenne mit einem Gain von 12 dB ausgestattet um das gesamte Areal besser abzudecken Die H he dieser Antenne betr gt ca 23 m Al lerdings befindet sich das Geb ude nicht mehr mittig zwischen den zwei Antennen son dern ca in einem Verh ltnis von 40 zum Knoten 4 zu 60 zum Knoten 5 Begriff aus den Einstellm glichkeiten f r Bridges der Firma Cisco die eine Repeater Funktion einer Bridge bei gleichzeitigem Anschluss drahtgebundener Clients erm glichen Seite 132 GeoSN UniBw Anlage 2 Sensorkno ten 5 Abbildung 42 geplante WLAN Verbindung ber Knoten 5 Dieser erh hte Aufbau erm glichte zwar eine optische Sichtverbin
52. rung der zu bertragenen Daten wesentliche Vorgaben bez glich der zu nutzenden Kom munikation Die Datengenerierung gibt in erster Linie vor wie viele Daten durch das Kommunikationsmodul zwischen Quelle und Senke zu bertragen sind Die zu bertra gende Datenmenge l sst sich wie die Codierung der Daten den Handb chern der Sensoren entnehmen Insbesondere bei bin ren Codierungen sind die L ngen der einzelnen zu ber tragenden Bytestrings fest vorgegeben Als Multiplikator kommen gegebenenfalls vom Nutzer vorzugebende Aufzeichnungsraten dieser Daten hinzu Dieser Punkt ist somit un ver nderbar vorgegeben und ergibt dadurch eines der Hauptkriterien bez glich der Aus wahl des zu nutzenden Kommunikationsmoduls Neben der Menge an Daten die zu bertragen sind ist die Abfolge in der sie zwischen den Kommunikationsteilnehmern ausgetauscht werden von Bedeutung Seite 57 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Datei bertragung besitzt drei Methoden in denen Daten zwischen Kommunikationsteil nehmern ausgetauscht werden 70 1 Richtungsverkehr Simplex Daten laufen grunds tzlich nur in eine Richtung 2 Wechselverkehr Half Duplex Daten werden auf derselben Strecke in abwech selnder Richtung ausgetauscht 3 Gegenverkehr Duplex oder Full Duplex Daten werden auf derselben Strecke gleichzeitig in beiden Richtungen bertragen Die Methoden 1 bis 3 stellen wachsende Anforderungen an das genutzte
53. zu n chst nur die Ver nderung einer einzelnen Nivellierlatte verfolgen auf die es von Beginn an ausgerichtet ist Um hnlich wie bei einem Tachymeter mehrere passive Sensoren zu berwachen sind eigens adaptierte Servomotoren notwendig die das Anfahren der ein zelnen Messpositionen sowie ggf die Fokussierung der Optik bernehmen Derartige Son derausf hrungen von Digitalnivellieren werden etwa von SOLEXPERTS 57 und Ange rer 58 angeboten siehe Tabelle 2 Leica DNA03 Leica NA3000 Trimble DiNil2 Zeiss DiNi10 in Sonderausf hrung der Firma gt w X w j Sooag aao nm Tabelle 2 Beispiele f r Digitalnivelliere Der deutlichste Unterschied gegen ber Tachymetern ergibt sich dadurch dass Nivelliere im Allgemeinen nur auf die Messung von H henunterschieden ausgelegt sind Es werden anders als beim Tachymeter keine 3D Koordinaten des Zielpunktes sondern lediglich der H henunterschied und die Horizontalstrecke zwischen Stand und Zielpunkt gemessen Eine Generierung von 3D Koordinaten die so genannte Nivelliertachymetrie erfordert zus tzlich den Winkel der horizontalen Visur Dieser ist im Digitalnivellier allerdings zu meist nicht digital zug nglich sondern lediglich analog an der Dreifu adaptierung ables bar Bei der Integration einer Motorisierung s o kann der Winkel ber Verfahrwege des Instruments abgeleitet werden Ein Einsatz von Nivellieren ist aufgrund der begrenzten Me
54. zugeh rigen Motion Controller Seite 149 GeoSN UniBw Anlage 6 Geotechnik N Loggingeinheit Extensometer Motorisierte Tachymeter E I 4 4 ey TCRQ1201 TCA1800 S10 Digitalnivelliere DNA03 NA3000 Zielzeichen X CCR 1 5 GWCL30 60 Kombinierte Adap tion aus CCR und GWCL Verfahreinheit Motorisierter Drehtisch mit DNA03 Nivellier Verfahreinheit mit Schlauchwaage Tabelle 18 Verwendete Sensoren und Aktoren des Kommunikationstests Seite 150 GeoSN UniBw Anlage 6 Als Kommunikationsmittel sollten alle in Kapitel 4 untersuchten drahtgebundenen Serielle RS232 Verbindung USB Verbindung TCP IP LAN Verbindung ber Twisted Pair und drahtlosen Systeme zwei WLAN Systeme zwei Bluetooth Verbindungen zwei Datenfunk Verbindungen adressiert und nicht adressiert erprobt werden Als Kommunikationsmedien dienten folgende Ger te a Im Steuerrechner Laptop integrierte LAN und WLAN Hardware b Access Point der Firma D Link vom Typ DWL2100AP c Access Point der Firma Linksys vom Typ WAPS4G d Bridge der Firma Linksys vom Typ WETS4G e 8 Port Switch der Firma Edimax vom Typ ES3108P f WLAN COM Server der Firma Lantronix vom Typ MSS VIA mit integrierter Cisco AIR LMC352 WLAN Karte g LAN COM Server der Firma Lantronix vom Typ CoBox FL h Bluetooth Dongle BluetoothPRO 2 0 der Firma Yakumo zur Integration einer Bluetooth F higkeit
55. 0 1 1 0f6 0J1jil u 0 0 9 0 1 J0 FA 0 1 B 110 0 1 0 D 1 11 0 LE 1 1 F Abbildung 12 Hexadezimaldarstellung aus einem Bytewert analog zu 72 Nach derartigen hexadezimalen Darstellungen des Pr fixes kann anschlie end innerhalb des Bytestrings gesucht werden Dieses Element ist in der Regel Bestandteil eines Nach richtenheaders der neben dem Pr fix Informationen zur Art und L nge des nachfolgenden Bytestrings enth lt Mit Hilfe dieser Vorgaben zum Typ des Strings k nnen dann die Seite 56 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Nachrichteninhalte ber die firmenspezifischen Nachrichtenstrukturen extrahiert werden Die Nachrichtenelemente sind nur aus ihrer Bit Position im gesamten String ableitbar und ihre Werte m ssen gem der vorgegebenen Datenl nge und einer entsprechenden Forma tierungsvorschrift errechnet werden Verk rzte Dateninformationen die nicht die komplet te vorgegebene Bitmenge f r ihren Datenwert ben tigen m ssen mit Bits vom Wert 0 aufgef llt werden da der komplette String seine vorgegebene L nge beibehalten muss Die Zerlegung eines Bytestrings in Abh ngigkeit des Nachrichtentyps ist in 64 erl utert 4 2 4 Checksumme Besonders bei bin ren Datenstrings aber auch bei einigen ASCH Nachrichten etwa beim NMEA Format kommt ein softwarebasierter Kontrollmechanismus zum Einsatz der es erm glicht eine Nachricht auch ohne Betrachtung
56. 0000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 Zeit sec Abbildung 44 Temperaturverlauf beim K ltetest An diesem Verlauf ist deutlich zu erkennen dass zwischen Innen und Au entemperatur des Sensorknotens ein konstanter Unterschied von ca 20 C vorliegt was dazu f hrt dass innerhalb des Beh lters die Temperatur permanent im positiven Bereich gehalten wird Der starke Temperaturunterschied ist auf die W rmeerzeugung der einzelnen Sensorkno ten Komponenten im Betrieb zur ckzuf hren Da kein verbleibender Trend hin zu weite rer Abk hlung des Knotens zu erkennen ist kann gefolgert werden dass der Sensorknoten auch im Winter betriebsbereit bleiben wird so lange die Temperatur nicht in Bereiche unter 25 C f llt Da die Isolierung nur behelfsm ig durchgef hrt worden ist ist hier noch weiteres Potential vorhanden Der Schutz gegen zu niedrige Temperaturen lie e sich Seite 135 Temperatur C GeoSN UniBw Anlage 3 innerhalb des Sensorknotens auch mit Hilfe eines Heizger tes realisieren wobei hier die Gefahr der berhitzung insbesondere bei hohen Au entemperaturen beachtet werden muss wenn diese Heizung im permanenten Betrieb vorgesehen ist Untersuchungen zur Funktionsf higkeit bei hohen Temperaturen wurden im Betrieb w h rend einer langen Sch nwetterphase im Juli 2006 durchgef hrt In dieser Zeit wurden in nerhalb der Sensorknoten 3 und 4 siehe Anlage 1 die Temperatur mittels des Tempera tur
57. 1 MBps vorgegeben d Um das System gegen unbefugten Zugriff zu sch tzen wird die Web Enc ryptment Protection WEP des WLANs aktiviert und wahlweise mit einem 40 bzw 128 Bit Schl ssel versehen Bei der Aktivierung dieser Sicherheit ist dar auf zu achten dass alle Teilnehmer neben dem richtigen Schl ssel auch den richtigen Schl sselindex w hlbar zwischen 1 und 4 nutzen Au erdem m s sen die Access Points eine offene Anmeldung akzeptieren um allen Clients insbesondere nicht Cisco Ger ten die Einwahl zu erm glichen Seite 91 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw e Alle Teilnehmer sind mit externen WLAN Antennen ausgestattet um die Reichweiten zu maximieren und optimale Abstrahlpositionen zu erm glichen Bei den Clients kommen zumeist Richtantennen in Yagi oder Patch Form zum Einsatz die auf den n chsgelegenen Access Point ausgerichtet werden Repea ter Access Points sowie der Root Access Point die Verbindungsaufnahmen aus m glichst allen Richtungen annehmen sollen werden mit Omni Antennen versehen f Der Root Access Point wird unmittelbar per Netzwerkverbindung mit der Zentralstation verbunden die somit keine eigene WLAN F higkeit besitzt 5 4 Kombination mit drahtgebundenen Netzwerk Bei Nutzung von WLAN zur Kommunikation sind drahtgebundene LAN Strukturen be reits durch die Verbindungen zwischen den nicht WLAN f higen Clients und der WLAN Infrastruktur im System integriert Eine
58. 12 00 12 00 12 00 12 00 Datum Abbildung 45 Au entemperaturverl ufe vom 17 bis 27 07 2006 Seite 136 Temperatur C GeoSN UniBw Anlage 3 50 45 40 35 30 25 20 0 17 7 06 18 7 06 19 7 06 20 7 06 21 7 06 22 7 06 23 7 06 24 7 06 25 7 06 26 7 06 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 15 00 Datum Uhrzeit Abbildung 46 Temperaturverl ufe der Knoten 3 und 4 vom 17 bis 27 07 2006 Aus den Temperaturverl ufen sind zun chst eindeutig die Tages und Nachtg nge zu er kennen Am Tag steigen die Au entemperaturen bis auf ber 40 C in Bodenn he an Abbildung 45 was dazu f hrt dass auch die Temperaturen innerhalb der Sensorknoten auf bis zu 47 C ansteigen Abbildung 46 Trotzdem war die Funktionalit t des Knotens nicht beeintr chtigt Es traten in diesem Zeitraum keine Ausf lle der Messdatenerfassung auf Die beiden Tests lassen die Schlussfolgerung zu dass die konstruierten Sensorknoten trotz der Nutzung nicht speziell angepasster Instrumente auch bei anspruchsvollen klimatischen Bedingungen einsetzbar sind Seite 137 GeoSN UniBw Anlage 4 Anlage 4 Untersuchungen zum Stromverbrauch der Sen sorknoten Im praktischen Test wurden zwei Container Nr 8 und Nr 9 auf dem Flugfeld der UniBw siehe Anlage 1 mit Solarmodulen versehen die jeweils einen Sensorknoten vom Typ 1 siehe Abbildung 27 mit Strom versorgen sollten Zum Einsatz kamen dabei zun chst 5 kleine Solarmodule mit Lei
59. 1800 usw es wird die Seite 143 GeoSN UniBw Anlage 5 n chst abgerundete Startsekunde zur aktuellen GPS Sekunde aus 2 2 ge nutzt gt Trennung der einzelnen Bestandteile des Dateinamens durch Underlines um den Namen wieder zerlegen zu k nnen gt Dateiendung der Speicherdatei in Abh ngigkeit vom Empf ngertyp derzeit unterst tzte GPS Empf nger SMART ANTENNA und NovAtel OEM3 sie he Kapitel 7 2 1 2 o ALLSTAR ergibt log o OEM3 ergibt gps 4 Senden der Loggingbefehle zum Aufzeichnen der notwendigen GPS Daten gt Aufzeichnung von Tr gerphasenrohdaten in der vorgegebenen Aufzeich nungsrate aus 1 c gt Aufzeichnung von Ephemeriden nur bei neuen Daten onchanged gt Aufzeichnung von Positionen nur alle 10 Sekunden o Ist diese Vorgabe nicht m glich so muss diese Datenreduktion innerhalb des Loggingprogramms in Abh ngigkeit der Nachrichteninhalte durchge f hrt werden siehe Programmpunkt 3 5 5 Erzeugung eines gek rzten Clusters der Informationen aus 1 gt Begrenzung der Informationen zur Anschlussart auf eine Variable des zuge h rigen Verbindungstyps gt Einf gen zus tzlicher Laufvariablen zu den bisher aufgezeichneten Daten o Bisherige aufgezeichnete Nachrichten der geforderten GPS Daten sowie Informationen zu fehlerhaften Daten o Aktuelle GPS Woche und GPS Sekunden o Aktuelle GPS Positionen o Stringelement das als Zwischenspeicher unvollst ndiger Nachrich
60. 25 S und zweitem FCPS25 S Serielle Kabelverbindung zwischen zweiten FCPS25 S und TCA2003 e Gekreuzte TwistedPair Kabelverbindung zwischen Steuerrechner und Linksys Access Point WLAN Verbindung zwischen Linksys Access Point und Linksys Bridge im SSID GEOSN UNIBW3 TwistedPair Kabelverbindung zwischen Bridge und Edimax Switch TwistedPair Kabelverbindung zwischen Switch und LAN COM Server CoBox FL serielle RS232 Kabelverbindung zwischen COM Server und DNA03 Nivellier f WLAN Verbindung zwischen Steuerrechner und D Link Access Point im SSID GeoLab WLAN Verbindung zwischen MSS VIA COM Server und D Link Access Point im SSID GeoLab Serielle Kabelverbindung zwischen MSS VIA und MFF 2 12 Loggingeinheit Serielle Kabelverbindung zwischen MSS VIA und Motion Controller der linea ren Verfahreinheit g Bluetooth Verbindung zwischen Steuerrechner ber USB Dongle und Bluetooth Hardware des TCRP1203 als eine serielle Schnittstelle im Windows System h Bluetooth Verbindung zwischen Steuerrechner ber USB Dongle und BTD 430 Bluetooth RS232 Adapter als eine serielle Schnittstelle im Windows System Serielle Kabelverbindung zwischen BTD 430 und NA3000 Alle Verbindungen wurden sequentiell abgefragt und die Daten abgespeichert wobei ver schiedene ASCII Befehle des Leica GeoCOM und GSI des Zeiss INTCTL sowie des Gloetzl MFF2 12 siehe Tabelle 7 und des Faulhaber Befehlssatzes 115 zur Anwendung kamen
61. 9 Januar 2002 www u blox com 99 Produktbeschreibung TIM CJ GPS Receiver Board Data Sheet u blox AG Thalwil Schweiz 2003 www u blox com 100 Produktbeschreibung GPS Sensor Boards GPS25 LVC GPS25 LVS GPS25 HVS Technical Specification Garmin Olathe USA 2000 www garmin com 101 Scholz P Mobilfunk Antennentechnik KATHREIN Werke KG Rosenheim Deutschland Mai 2006 http www kathrein de de mca techn infos index htm 102 Produktbeschreibung UDS10 UDS100 User Guide Lantronix Irvine USA Juni 2004 www lantronix com 103 Produktbeschreibung MSS User Guide Lantronix Irvine USA Januar 2004 www lantronix com 104 Produktbeschreibung MSS485 Installation Guide Lantronix Irvine USA August 2003 www lantronix com 105 Produktbeschreibung Anleitung W amp T COM Server Rel 3 0 Wiesemann und Theis GmbH Wuppertal Deutschland Dezember 1996 www wut de 106 Produktbeschreibung VS NetCom Vision Systems GmbH Norderstedt Deutschland Mai 2006 www visionsystems de Seite 175 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 107 Amtsblatt der Europ ischen Union Entscheidung der Kommission vom 11 Juli 2005 ber die harmonisierte Nutzung von Funkfrequenzen in den 5 GHz B ndern f r die Einf hrung drahtloser Zugangssysteme einschlie lich lokaler Funknetze WAS Funk LANs Br ssel Belgien 19 07 2005 108 Produktbeschreibung Cisco Cisco Aironet Hardware Association Matrix Cisco Sys tems Inc San
62. ASCII Code Tabelle 110010 bergeben werden was eine Erh hung des notwendigen Speicherplat zes um den Faktor 3 entspricht Dieses Vorgehen kennzeichnet den Unterschied zwischen bin rer und ASCII Kommunikation wie er beispielsweise bei den GPS Empf ngern im Kapitel 3 2 bereits angesprochen wurde 4 2 1 Quellcodierung auf Sensorebene Auch jeder Sensor gibt seine Messwerte grunds tzlich in einer codierten Nachricht ab die vom Sensorhersteller speziell f r die enthaltenen Informationen einer Sensormeldung die ses Ger ts ausgew hlt oder selbst entwickelt wurde Es werden dabei zwar in der Regel die grundlegenden Normen f r Codierungen einzelner Datenworte genutzt aber insbeson dere die Trennungen der einzelnen Informationsabschnitte und die Anordnung der enthal tenen Informationen ist rein durch die herstellerseitige Programmierung des Sensors vor gegeben Die bereits in der Fachliteratur angesprochene SML 76 die in Zukunft einen Standard f r Kommunikation und Messwerte f r Sensoren darstellen soll kann hierbei nicht genutzt werden da zum Zeitpunkt der Arbeit keiner der in Kapitel 3 angesprochenen Sensoren sie unterst tzt 3 SML Sensor Model Language Seite 51 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Unterschiedliche Codierungen treten bereits auf wenn zwei Sensoren zwar prinzipiell identische Messwerte liefern aber aufgrund unterschiedlicher Herstellerkonfiguration die se Messwerte
63. Board realisiert werden Es gibt PCI Karten mit Netzwerkanschluss zus tzlichen USB oder RS232 Anschl ssen und auch WLAN F higkeiten Der Vorteil dieser Karten ist der interne Einbau und damit die gesicherte Stromversorgung ber das Rechner Board sowie der Schutz der Hard ware Die Nachteile von PCI Karten sind allerdings der Installationsaufwand der Karten ber das ffnen des PCs sowie die begrenzte Anzahl der verf gbaren Steckpl tze und damit die begrenzte Erweiterbarkeit 2 USB Erweiterungen USB Erweiterungen werden anders als PCI Karten nicht mehr gr tenteils ber Hardware sondern speziell ber Software verwaltet Bei der Nutzung von USB ergeben sich Baumstrukturen in Netzwerkform die am zentralen Rechner enden Mit Hilfe von USB Hubs kann die Struktur dabei nahezu beliebig erweitert werden Die internen USB Adressierungen sind f r einen Nutzer anders als im Ethernet Netzwerk nicht erkennbar oder zu ver ndern An USB Ports k nnen Erweiterungen f r serielle RS232 Schnittstellen Netzwerkanschl s se weitere USB Hubs und auch WLAN oder Bluetooth Dongle angeschlossen werden USB bietet neben dem Datentransfer auch eine Stromversorgung der Er Seite 79 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw weiterungsger te Da diese Versorgung allerdings begrenzt ist muss ggf eine se parate Stromversorgung einzelner USB Erweiterungen eingeplant werden was a ber aufgrund der in der Regel vorhandenen Stromvers
64. Bw weiter eingegangen wird 4 3 2 1 Serielle Daten bertragung Serielle Daten bertragung ist normalerweise mit dem RS232 Standard gleichzusetzen der eine der ersten Standardisierungen in der Computerindustrie darstellt 72 und bereits um 1960 entwickelt wurde Obwohl dieser Standard nur Daten bertragungsraten von maximal 115200 Baud siehe Kapitel 4 3 3 zul sst ist es nach wie vor der am weitesten verbreite Standard der Kommunikation f r Low Cost Verbindungen 71 Serielle Daten bertragung ist asynchron 72 und nimmt nur minimale Ver nderungen der Eingangsdaten innerhalb des OSI Modells vor So ergeben sich bei der seriellen Daten bertragung nur sehr geringe M glichkeiten Adressierungen und Kontrollmechanismen f r die zu versendenden Nachrichtenpakete vorzugeben Kontrollen sind lediglich ber ein Partit tsbit m glich das einem bertragenen Nachrichtenpaket angef gt werden kann Der Gebrauch des Parit tsbits ist kein Standard sondern optional und somit durch den Nutzer w hlbar Es kann zwischen keinem einem geraden oder einem ungeraden Parit tscheck gew hlt werden Dies sagt aus dass entweder kein Parit tsbit angef gt wird oder dass es durch seinen Wert von 0 oder 1 die gesamte Anzahl der Bits des Datenpakets mit dem Wert auf eine gerade oder eine ungerade Zahl erh ht Anders als die Checksumme in Ka pitel 4 2 4 ist dieser Check allerdings mehrdeutig da eine Anzahl von 2 Datenbits mit dem Wert 1 f r die Parit t d
65. Calgary Canada 07 Juli 2003 www NovAtel com 65 _Produktbeschreibung Neigungssensor NS 10 PL2 M HL Planartechnik GmbH Dort mund Deutschland 28 01 2003 www hlplanar com 66 Produktbeschreibung Nivel 20 Handbuch Leica Geosystems Kern Swiss Unterent felden Schweiz Februar 1992 www leica geosystems com 67 Produktbeschreibung Contrans P Messumformer AMD 200 AMD 220 f r ber druck ABB Automation Products GmbH Minden Deutschland August 2000 http www abb de 68 Produktbeschreibung Bedienungsanleitung Professional Remote Weather Station WS 2308 La Crosse http www heavyweather info new_german 2308pdf ws2308ge_main pdf Zugriff 14 03 2007 69 Jondral F Nachrichtensysteme J Schlembach Fachverlag Karlsruhe Deutschland 2001 70 Lipinski K ABC der Datenkommunikation DATACOM Buchverlag Bergheim Deutschland 1990 71 Buchanan W Applied Data Communications and Network Chapman amp Hall Oxford England 1996 72 Dahlmeyer D Theorie der Zeitbereichsreflektometrie elektronik industrie 2 2001 73 Helmers S A Data Communications Prentice Hall Inc Englewood Cliffs USA 1989 Seite 173 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 74 Spargins J D Hammond J L Pawlikowski K Telecommunications Addison Wesley Publishing Company 1991 75 Microsoft Hilfe und Supportcenter Windows XP Professional Microsoft 2002 www microsoft com 76 Paulsen H OGC Standards f r S
66. Clients unterst tzt siehe Tabelle 11 Die COM Server und die genutzte Switch vom Typ Edimax ES3108P 111 sind auf eine Versorgungsspannung von 12 Volt ausgelegt allerdings be n tigt die Workgroup Bridge eine Spannung von 5 Volt siehe Tabelle 11 Da es bei dem Geh use dieses Ger ts aus Platzmangel nicht wie bei den W amp T Typ 58201 COM Servern m glich war einen Spannungswandler nachtr glich zu integrieren siehe Tabelle 10 musste in den Sensorknoten ein elektronisches Bauteil in Form eines Spannungswandlers eingebaut werden Dabei ist neben dem eigentlichen Wandler der sich als einfacher Chip Baustein darstellt auch eine K hlung vorzusehen da bei der Spannungsreduktion eine hohe W rmeentwicklung am Chip auftritt Da konzeptionell nicht alle Sensorknoten mit Batterien ausgestattet und selbstversorgend sein sollten wurde in dieser Auspr gung auch ein Stromwandler von 220 auf 12 Volt in tegriert um Feststrom nutzen zu k nnen Hierbei kamen Wandler der Firma Siemens vom Typ Logo Power 6EP1 321 zum Einsatz Schaltschrank WLAN Patch Antenne m CISCO SYSTEMS N GPS SMART ANTENNAS SIEMENS LOGO POWER EDIMAX Abbildung 28 Sensorknoten Typ 2 Seite 95 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw In einer Spezialauspr gung des Knotentyps 2 kann die Workgroup Bridge durch eine Re peater Bridge ersetzt werden Hierbei wird neben der Einbindung der drahtgebundenen Sensoren eine Erweiterung
67. Ephemeriden 79 Byte pro Satellit sukzessiv sek ndlich f r alle sichtbaren Satelliten 64 Seite 112 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw stellt werden siehe Kapitel 7 2 1 1 Hinzu kam die notwendige Umwandlung aller Roh datendateien in das propriet re GrafNav GPB Format mit Hilfe des WPConvert Programms die vor dem Start des GrafNav durchgef hrt werden musste Diese Umwand lung nahm pro Messdatei zus tzlich noch einmal etwa 5 Sekunden ein Wenn alle 15 Mi nuten neue Dateien angelegt werden ergibt sich somit f r den genutzten Rechner eine maximale Roveranzahl von ca 25 wenn nur ein Referenz Empf nger genutzt wird Die Bindung der Ressourcen durch GrafNav die anschlie end dem LabVIEW Programm f r das Datenhandling der einzelnen Sensorknoten nicht mehr zur Verf gung stehen muss hierbei ebenfalls beachtet werden um Programmabst rze wie im Kapitel 6 aufgrund von Verz gerungen beim Auslesen der Schnittstellen oder dem Mitf hren von Zwischendaten angesprochen zu verhindern Im Testaufbau zum GeoSN UniBw war die Auswertekapazit t f r einen Systemumfang von 8 Rovern und 2 Referenzen und somit 17 Basislinien inklusive einer Basislinienbe rechnung zwischen den zwei Referenzen bei einer Einstellung der Aufzeichnung auf 15 Minuten Dateien ausreichend 7 2 Verifizierung der Gesamtfunktionalit t des GeoSN UniBw Zur Verifizierung der Gesamtfunktionalit t des GeoSN UniBw wurden folgende U
68. Erweiterung der Nutzung von festen Leitungen bietet sich somit an 5 4 1 Internetanbindung Um an der Zentralstation die Versendung von Alarmierungs Emails sowie Bereitstellung der erzeugten GKA Dateien im Internet siehe Netzlaufwerk in der GOCA Nutzung Ka pitel 2 4 zu erm glichen ist eine Internetanbindung dieses Rechners erforderlich Im Sys tem GeoSN UniBw wurde dieser Zugang des Rechners der die zentrale Datensenke bil det mit einer zweiten PCI Netzwerkkarte siehe Kapitel 7 2 1 1 mit Anschluss an das Hochschulnetz realisiert Im Windows Betriebssystem wird diesem zweiten Netzwerk eine aus dem Hochschulnetz festgelegte IP Adresse zugewiesen Die parallele Nutzung der zwei Netzwerke bez glich Internetadressen wird automatisch ohne Nutzerinteraktion geregelt Aus diesem Grund ist die Nutzung lokaler IP Adressen innerhalb des WLAN notwendig um berschneidungen mit anderweitig im Internet bestehenden IP Adressen zu vermeiden 5 4 2 Fernwartung Neben der Nutzung der Internetanbindung f r den reinen Datenzugriff auf die Zentralsta tion bietet sich au erdem bei der Verf gbarkeit einer entsprechend hohen bertragungs bandbreite auch die Fernwartung des Rechners ber das Internet oder ein LAN an Anders als die textbasierte Wartung ber Telnet wie sie im Linux basierten DC3 genutzt wird wird im System GeoSN UniBw dazu ein hnlicher Ansatz wie in der Monitor Software gew hlt 32 Es kommt dabei das Programm TridiaVNC zum Einsa
69. GeoSN der Fall ist stellen die Firmen normalerweise den entsprechenden Befehlssatz und das Format der aufgezeichneten Daten einem etwaigen Nutzer zur eigenen Verwendung zur Verf gung Anspruchsvolle Anwendungen wie die des GeoSN erfordern zumeist die Nutzung der bin ren Kommunikationsbefehle und der bin ren Daten des GPS Empf ngers da diese wesentlich umfangreichere M glichkeiten bieten Au erdem enthalten zumeist nur die bin r bereitgestellten Daten die notwendigen Messinformationen Die Daten und Befehls struktur ist normalerweise von Empf nger zu Empf nger verschieden Daraus folgt dass von einem Nutzer eigens konzipierte Programme in der Lage sein m ssen bin r zu kom munizieren Au erdem m ssen sie f r jeden genutzten Empf nger eine spezielle Kommu nikation vorsehen In der Regel sind die Boards mit mindestens zwei Anschl ssen f r Daten ausgestattet um zum einen gemessene Daten ausgeben und zum anderen ggf dauerhaft DGPS Daten emp fangen zu k nnen Aufgrund von Trennung von RX und TX Leitung k nnen Steuerbe fehle aber auch bei paralleler Messwertausgabe an eine Schnittstelle bertragen werden Die Form der Schnittstellen ist in der Regel auf eine RS232 Kommunikation ausgelegt Bez glich der Stromversorgung haben GPS Empf nger h ufig den Vorteil einer gro en Bandbreite von Eingangsspannungen zwischen 6 und 30 Volt F r den Anschluss an das normale Stromnetz hingegen sind entsprechende Netzteile oder Wandl
70. GeoSN UniBw e 97 6 1 Norabkontisursbsniennsaseananleslsn klarem unless 97 6 2 Aufgaben des Systemprogramms GeoSN Unibw nenenennennnenn 98 6 2 1 Initialisierung des Systems 2200 99 6 2 2 Datenerfassung und Kommunikation eensennsenneenennnsnnnnnn 102 6 23 D lenaufbereitung er eiserne 104 6 2 3 1 Gra lN a Veee eena enges 104 6 2 3 2 GrafNavin EabVIEW 2 een 105 6 2 4 Datenauswerline sek 108 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw eee 109 7 1 Tests zu grundlegenden Funktionalit ten nsssseensseenennneennennnn 109 7 1 1 Test zum Temperaturschutz eines Sensorknoten nennen 109 7 1 2 Test zum Stromverbrauch bei Feststromanschluss 110 13 Test zur Stromversorgung mit Solarenergie enennnnnneen 110 7 1 4 Test zum Datenhandling ber WLAN und COM Server ee 111 7 1 5 Test zu Verbindungen innerhalb des WLAN nnenneennn 112 7 1 6 Ausreichende Daten bertragungsbandbreite eeeeee 112 7 1 7 Ausreichende Auswertekapazitat une ee 112 7 2 Verifizierung der Gesamtfunktionalit t des GeoSN UniBw ceesen 113 7 2 1 Realisierung eines Systemabfbals na nun a 113 PZN Zenttalstatl on een 114 12 12 Sensoren im GeoSN UmBwe nenreaeka 116 7 2 2 Untersuchungen zur Genauigkeit und Zuverl ssigkeit 117 7 2 3 Aufdeckung periodischer Erscheinungen
71. Ger te die den Menschen durch bernahme permanent durchzuf hrender Aufgaben ent lasten sollen und zum anderen aus der Aufnahme von Messwerten angeschlossener Sen soren um das Verst ndnis beobachteter Ph nomene durch Modellierungen aus den aufge nommenen Daten zu verbessern 1 1 Aufbau eines Sensornetzwerks Ein Sensornetzwerk wird gem des Online Lexikons LEX donx DE Web 1 als eine Netzwerkstruktur aus Kleinstrechnern mit angeschlossenen Sensoren definiert die eine gemeinsame Aufgabe bew ltigen sollen Die Kombination aus Rechnern und Sensoren bilden die Sensorknoten Die Sensorknoten sollen autonom arbeitende Komponenten sein die sich nach ihrer Akti vierung selbst ndig in der Regel drahtlos mit anderen Knoten vernetzen Ihre Aufgaben bestehen zumeist darin Daten angeschlossener Sensoren aufzuzeichnen und zu verarbei ten und die Verarbeitungsergebnisse ber die Vernetzung an einen Zentralrechner weiter geben 1 siehe Abbildung 1 Knoten haben au erdem mitunter die F higkeit Steuerimpulse f r angeschlossene Ger te oder andere Knoten in der Umgebung zu generieren die diese dazu anregen bestimmte Aufgaben auszuf hren Die Stromversorgung der Knoten ist in den meisten F llen auf Batteriebetrieb ausgelegt die unter bestimmten Voraussetzungen durch Nutzung externer Energiequellen insbesondere Solarenergie 2 wieder aufgeladen wird Mitunter ist auch eine F higkeit zur Datenspeicherung vorgesehen wenn eine Dat
72. Kommunikati ons Medium was sich in der Regel in erh hten Installations und Kostenaufwendungen widerspiegelt Vor einer genaueren Betrachtung der Methoden muss noch eine logische Gesetzm igkeit der Daten bertragung zwischen Quellen und Senken erw hnt werden die sich auch in der bereits erw hnten menschlichen Unterhaltung darstellt Eine Senke kann pro genutzten Kanal immer nur von einer Quelle zurzeit Daten entgegennehmen Eine parallele Daten bertragung von mehreren Quellen zu einer Senke kann nur durch Nutzung mehrerer Kommunikationskan le oder durch Multiplexing 70 Zerlegung eines gew hnlichen Ka nals in mehrere logische Kan le eines Kanals erreicht werden Andererseits ist es m g lich dass eine Quelle Daten an mehrere Senken bertr gt siehe Abbildung 13 Einzige Forderung dabei ist dass das genutzte bertragungsmedium mehrere Ausg nge und damit m gliche Anschl sse f r Senken an den Datenstrom besitzt Diese Gesetzm igkeit ist insbesondere f r die Simplex Daten bertragung von Interesse Abbildung 13 Simplex Daten bertragung von einer Quelle zu mehreren Senken Simplex Daten bertragungen sind in der Regel nur dann sinnvoll wenn ein Kommunika tionsteilnehmer ohne u ere Anregung das hei t rein ber eine intern abgespeicherte Konfiguration zeitgesteuert Daten generiert und diese permanent bertragen werden Simplex Kommunikationen k nnen in einem GeoSN vor allem in zwei Konfigurationen auftreten
73. N Infrastruktur k nnen der Cisco Ger tematrix 108 entnommen werden Drahtgebundene Clients k nnen sich nur an den Root Access Point sowie die Bridges und Workgroup Bridges anh ngen Da eine Bridge oder eine Workgroup Bridge den An schluss mehrerer Clients bei Zwischenschalten einer Switch erm glicht ist es sinnvoll nicht nur einen COM Server mit angeschlossenen Sensoren pro Bridge zu verwenden Vielmehr sind hier die Vorteile von drahtloser und drahtgebundener Kommunikation zu verkn pfen Eine zentral gelegene Bridge Switch Kombination kann einen kompletten Bereich von COM Servern verwalten und etwa auch die Aufgaben der Stromversorgung der einzelnen Komponenten regeln Hiermit k nnen dann auch sehr gut Kompromisse zwischen den optimalen Positionen f r die Adaption von Sensoren am zu untersuchenden Objekt und der optimalen Position f r eine Daten bertragung zur Zentralstation gesucht werden 5 3 5 Konfiguration des WLAN Das aufgebaute WLAN stellt sich rein lokal dar Es wird ein eigenes konfiguriertes Sub netz und zugeh riger IP Adressen Bereich spezifiziert um den Anschluss einer m glichst gro en Anzahl von Teilnehmern zu erm glichen 7 Diese Stecker sind typischerweise als HF Stecker in den Formen N TNC MMCX oder SMA ausgepr gt wobei bei den WLAN Ger ten h ufig noch die Sonderform der Reverse Stecker RP genutzt wird Seite 90 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Lokales Netzwerk GeoSN
74. Neben den Geschwindigkeiten m ssen Datenfunkger ten m glicherweise auch zus tzliche Informati onen zur Funkfrequenz oder dem Funkkanal der Sendeleistung und ggf Vorgaben zur Datenmodulation vorgegeben werden Bei einigen Datenfunkger ten bietet sich hier auch die M glichkeit der Adressierung ber Software siehe Kapitel 4 3 3 2 1 und damit der Nutzung einer seriellen Schnittstelle am Zentralrechner f r eine Verbindung zu mehreren Sensoren Einige der im GeoSN UniBw getesteten Datenfunkger te besitzen diese F hig keiten siehe Tabelle 9 Wood amp Douglas Leica RSX in gekapselter FCPS25 S _ F70 Version Hardware Schnittstellen 1 x RS232 1 x RS232 1 x RS232 1 x RS232 D Sub 9 Stecker D Sub 15 Stecker 8 pol Stereo Stecker 5 pol Lemo Stecker drahtgebundene bertragungsrate 300 38400 Bps 300 38400 Bps 300 19200 Bps 4800 Bps fix drahtlose bertragungsrate 4800 9600 Bps 1200 9600 Bps 1200 9600 Bps 4800 Bps Funkfrequenz 125 180 MHz 370 470 MHz 433 3625 MHz unbekannt 400 500 MHz 868 870 MHz Adressierbarkeit in einem Netzwerk siehe Abbildung 19 255 Adressen 65535 Adressen feste Adresse Keine ber 1 Byte ber 2 Bytes ber Seriennummer Programmierung ASCIH Befehlssatz ASCIH Befehlssatz ASCH Befehlssatz unbekannt in einem Terminal in einem Terminal in einem Terminal Programm Programm Programm Tabelle 9 Spezifikationen der untersuchten
75. Neigungen allein ist f r nachfolgende Betrachtungen meist nicht ohne weitere Aufbereitung der Messungen m glich Vielmehr ist eine Kombination der relativen Messung mit einem absoluten Bezug durchzuf hren Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden dass bei einem Extensometer oder In klinometer eine Position des Messger tes mit einer Koordinate kombiniert wird und die Messrichtung der Ger tes also entweder der Raumvektor des Extensometers oder die Richtung des Absenkrohres des Inklinometers mit einem globalen Richtungsvektor im Koordinatensystem gleichgesetzt wird In ihrer Konzeption ist die eigentliche Sensorik in der Geotechnik in der Regel nur mit sehr geringen F higkeiten zur selbst ndigen Signalverarbeitung ausgestattet Es werden zumeist nur analoge Signal erzeugt die teilweise auch nur in analogen Anzeigeeinrichtun gen dargestellt werden Diese Art von analogen Anzeigeeinrichtungen wird allerdings immer mehr von einem Einsatz mit Messwertausgabe in Form von Stromsignalen ver dr ngt Dabei wird in der Regel das Prinzip einer Widerstands nderung ausgenutzt Derartige Stromsignale in digitale Informationen umzuwandeln ist nur m glich wenn der Sensor die F higkeit zur A D Wandlung besitzt oder in Kombination mit einer Loggin geinheit eingesetzt wird die entsprechende Wandlung der analogen Signale durchf hren kann Solche Loggingeinheiten werden h ufig bereits von den Anbietern geotechnischer Sensorik mit vertrieben und bes
76. Netzwerk des GeoSN auch ohne WLAN Verbindungen zu erweitern indem man einen so genannten Repeater Rechner konfigu riert Diese Station hat die Aufgabe die Datenerfassung von Sensorknoten zu b ndeln und deren Daten an die Zentralstation weiterzuleiten Dieses Vorgehen muss insbesondere dann angewendet werden wenn der Ausbreitungsbereich des WLAN durch Sichthinder nisse eingeschr nkt ist Ein derartiges Vorgehen der Einbindung eines Sensornetzwerkes in bestehende Netzwerk strukturen ist kein Regelfall da daf r ein schnelles Netz und feste IP Adressen notwendig sind Es kennzeichnet aber die Nutzung kompletter Desktop PCs als Rechnerkomponenten eines Sensorknoten wenn ihre Hardwaref higkeiten zur Sensoranbindung eingesetzt wer den sollen Die Nutzung eines Repeater Rechners wurde auch im GeoSN UniBw realisiert siehe Ka pitel 7 2 1 2 5 5 Herstellung der Sensorknoten Der Begriff Sensorknoten wie er auch im WSN genutzt wird siehe Kapitel 1 ist im Ge oSN UniBw nur bez glich der Aufgaben die dieser Bestandteil des Systems im Betrieb erf llen muss aber nicht bez glich der genutzten Hardware gerechtfertigt So sind etwa Seite 93 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw gro e u ere Abmessungen der Knoten durch die integrierten Bauteile insbesondere die starken Pufferbatterien zwingend vorgegeben Grundlage f r den Bau der Sensorknoten waren Stahlschaltschr nke Sie besitzen in der Regel e
77. Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Abbildung 36 Aufbau der Rover 3000 4000 und 5000 Die Hypothese dass die Ursache der periodischen Effekte Multipatheinfluss ist wird durch zwei Aspekte der periodischen Erscheinung gest tzt 1 Einfl sse einer konstanten Multipathumgebung wiederholen sich bei identischer Satel litenkonstellation Eine identische Satellitenkonstellation wird bei GPS nach einem si derischen Tag 23 Stunden 56 Minuten und 4 1 Sekunden erreicht was in etwa der ermittelten Periode der Effekte entspricht 2 Einfl sse von Mehrwegen sind stark von der unmittelbaren Messumgebung eines Empf ngers abh ngig und ndern sich bereits bei geringen Positionsver nderungen was die hnlichen aber unterschiedlich starken Auswirkungen auf die drei Rover erkl ren k nnte siehe Lage der Rover in Abbildung 36 In unmittelbarer N he zu den drei Rovern waren zwei hohe Pfeilerobjekte vorhanden sie he Abbildung 36 die m glicherweise den Multipatheffekt ausl sten 7 2 4 Soll Ist Vergleich mit simulierten Bewegungen Die optimale Best tigung der F higkeit des GeoSN UniBw zur Aufdeckung von Bewe gungen l sst sich durch einen Soll Ist Vergleich zwischen genau simulierten Positionsver nderungen von Messpunkten und deren zugeh rigen Beobachtungen im GeoSN UniBw sicherstellen Um die F higkeit zur Simulation hoch genau bestimmter Soll Bewegungen eines Sensors zu garantieren wurde eine Verfahreinheit mit einem F
78. Rechner T USB Lab Dockingstation VIEW GEOSN UNIBW 2 WLAN Omni Antenne 5 Root Bridge am Drahtgebundene Hochschulnetzwerkverbindungen zum Systemteil 1 NI IL GPS Chokering Antenne A AR MiLLeniu GPS Splitter Abbildung 34 Repeater Rechner 7 2 1 2 Sensoren im GeoSN UniBw Im Testaufbau werden folgende Sensoren eingesetzt a 2 seriell an den Zentralstationsrechner angeschlossenen GPS Empf nger b 3 GPS Empf nger im GEOSN UNIBWI als Sensoren des Sensorknoten 1 c 1 seriell an den Repeater Rechner Sensorknoten 2 angeschlossener GPS Empf nger d 4 GPS Empf nger im GEOSN UNIBW2 als Sensoren von den drei Sensorknoten 3 4 und 5 e 2 Solarcontroller mit Mikroprozessor zur berwachung des Stromverbrauchs so wie der Spannung der Pufferbatterie in den autark ber Solar versorgten Sensor knoten 3 und 4 siehe Abbildung 27 Die zwei seriell an die Zentralstation angeschlossenen GPS Sensoren Referenz 1000 und Rover 2000 stellen sich zum einen als ein OEM3 MiLLenium Board in einer ProPak Version und zum anderen als ein ALLSTAR Board noch in der Canadian Marconi Versi on in einer Development Box dar Beide Empf nger sind ber einen GPS Antennensplitter mit einer Leica Chokering Antenne verbunden die in einem Pfeilerauf bau installiert ist Als Sensorknoten 1 im GEOSN UNIBWI wird ein Ger t des Typs 2 siehe Abbildung 28 genutzt an den 3 SMART ANTENNAS Rover
79. Rest des Daten strings 4 Qualit tspr fung Da viele der Sensoren insbesondere bin re Messdaten mit Checksummen versehen siehe Kapitel 4 2 4 k nnen diese als Qualit tskriterium empfangener Nachrichten herangezogen werden Sind keine derartigen Checksummen vorhanden aber der Auf bau von Antwortstrings und auch Fehlermeldungen genau bekannt k nnen diese eben falls ber entsprechenden Routinen gepr ft werden gt Erf llt eine Nachricht die Anforderungen nicht so wird sie verworfen gt Es werden derzeit zwei Checksummen berpr fungen angewendet siehe Ka pitel 4 1 4 o XOR Pr fung bei NovAtel OEM3 Nachrichten o Summen Pr fung bei ALLSTAR Nachrichten 5 Analyse des Nachrichteninhalts Validierte Nachrichten werden bez glich ihres Inhalts anhand der bekannten Struktu ren empfangener Nachrichtentypen analysiert um verschiedne Sensorparameter aktu ell zu visualisieren und Systemparameter zu bernehmen gt Position o Bei Ger ten die nur unzureichende Einstellung der niedrigsten Aufzeich nungsrate zulassen etwa die einfachen GPS Empf nger mit minimalen Aufzeichnungsraten von 1Hz kann hier von Seiten der Software die Be handlung der Daten nachgeordnet eingeschr nkt werden indem Nachrich ten nur in Abh ngigkeit des Messzeitpunkts etwa ber die GPS Sekunde einer Nachricht ablesbar weiter bearbeitet und abgespeichert werden Seite 145 GeoSN UniBw Anlage 5 gt Aktuelle GPS Zeit O Dabe
80. SCII Kommunikation gibt es bei der bin ren Kommunikation weder Trennungs noch Endzeichen Lediglich der Beginn einer abgeschlossenen Nachricht wird wie bei ASCIH Strings durch ein Pr fix gekennzeichnet Um ein Pr fix in einem Bytestring erkennen zu k nnen m ssen Vergleichsroutinen mit der vorgegebenen Form mit hnlichen Routinen wie bei den ASCH basierten Suchfunkti onen implementiert werden Dies bedeutet dass der Inhalte einzelner Bytes darstellbar sein muss Eine M glichkeit dazu g be die ASCH Codetabelle die aber nicht nutzbar ist da nicht allen m glichen ganzzahligen Bytewerten von 0 bis 255 ein Zeichen in der ASCI Tabelle zugewiesen ist Aus diesem Grund wird in der Regel die so genannte he xadezimale Bytedarstellung gew hlt in der sich ein Bytewert mit zwei Zeichen wiederge geben wird die sich aus den 16 Elementen 0 bis 9 und A bis F zusammensetzen Die Auswahl der Elemente geschieht im Zuge der Betrachtung der Werte der vorderen 4 und der hinteren 4 Bits eines Bytes in einer Matrixstruktur siehe Abbildung 12 1j10J 0JoJ0oJoJojosoj jJ aJ a J a Ja a 1 Al BitElemet mo lololol Jl l l Jlolololol lj l l 3j0jo 1 0oJoJ J JoJo J JoJojJ J1 4 0 1 0 1 0 1 0 1 J0 1 J0 1 0o 1J 0 1 Su EsH ES O2 EEE En EI EZ ES gt ER BA HE DE BER RE 0 0 0 0F0 0 0 1 0 2 0 0 1 3 0 1 00 4 0 1 0 5
81. Sensoren stellt sich dann hnlich wie bei Tachymetern als 1 Knoten Netzwerk dar da die Sensoren nicht alleine arbeitsf hig sind und die Log gingeinheit aufgrund von Umfang und Preis wiederum nicht als einfacher Sensorknoten betrachtet und nur in Kombination mit einer gro en Anzahl von Sensoren sinnvoll genutzt werden kann Seite 42 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Der Datenausgang aus dem Ger t ist wie bei Tachymetern und GPS Sensoren h ufig eine serielle Schnittstelle so dass auch hier die sp teren Betrachtungen bez glich der Datenab gabe an eine Zentralstation bei einer seriellen Kommunikation ansetzen m ssen Meist k nnen die unmittelbar an eine Loggingeinheit angeschlossenen Sensoren hnlich wie Prismenmessungen bei den Tachymetern nur sukzessiv abgefragt werden und wie beim Tachymeter begrenzt sich die Datenmenge pro abgefragten Sensor auf wenige In formationen in ASCII Form bestehend aus dem Sensornamen abgeleitet von der Sensor schnittstellennummer innerhalb der Einheit dem Messwert und dem Messzeitpunkt Auch die m glichen Steuersignale an die Loggingeinheit zur Sensorabfrage sind wie bei Tachymetern aufgrund der zumeist einfach gehaltenen vorhandenen On Board Interpreter auf ASCI Signale ausgelegt und somit leicht zu realisieren siehe Tabelle 7 in Kapitel 4 2 2 Allerdings ist der Aspekt der automatischen Messwertgenerierung bei diesem 1 Knoten Netzwerk anders zu betrachten als bei den
82. Tachymetern Eine Loggingeinheit f r geotech nische Sensoren ist einfacher programmierbar als eine Messung beim Tachymeter da nur die einzelnen Stromanschl sse abgefragt werden m ssen und die Verbindung zum Sensor weniger st ranf llig ist Eine Loggingeinheit kann somit nach erfolgter Konfiguration aller angeschlossenen Sen soren und der Vorgabe eines zeitlich gesteuerten Abfragens als autark messende Station angesehen werden die keine weiteren Steuersignale mehr ben tigt 3 4 Gegen berstellung Werden die betrachteten Sensoren einander gegen bergestellt so ergibt sich folgende Schlussfolgerung Keiner der drei Sensortypen besitzt eine optimale Funktionalit t f r ein GeoSN die ihn ber gegen ber den anderen beiden eindeutig in den Vordergrund stellt Vielmehr muss sich die Wahl der im Zuge der berwachungsmessung genutzten Sensorik immer nach den Gegebenheiten des Objekts richten Bei geotechnischen Sensoren m ssen insbesondere folgende Faktoren betrachtet werden 1 hoher Installationsaufwand durch die zwingende Verkabelung zur Loggingeinheit und die Adaption am Messobjekt z B Lotungssch chte oder Inklinometerrohre 2 nur lokale Verformungsmessungen Ein Objekt bei dem es vor allem um Verformungen geht l sst sich etwa schon w hrend der Konstruktion mit geotechnischen Sensoren versehen Das typische Beispiel hierf r ist eine Staumauer Bei optisch messenden Systemen ist zwar auch eine nachtr gliche Installat
83. Transportprotokoll von Bedeutung das Art der Signale und Format der Informationen regelt Protokolle spiegeln sich vor allem in der Transport und der Vermittlungsschicht des OSI Modells siehe Abbildung 11 wider Es treten vornehmlich zwei Auspr gungen von OSI innerhalb eines GeoSN auf die seriel le Daten bertragung und die bertragung in einem Ethernet Netzwerk Diese zwei Me Seite 62 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN thoden stellen zwei der g ngigsten M glichkeiten rechnerbasierter Daten bertragung dar Der Universal Serial Bus USB Web 13 eine weitere inzwischen sehr weit verbreitete Option des Datenaustausches und Anschlusses von Peripherieger ten bietet zwar bez g lich seiner F higkeiten zur Adressierung der Kommunikationsteilnehmer ber Hardware adressen der parallelen Stromversorgung und der hohen Daten bertragungen insbesonde re unter USB 2 0 gro es Potential wird aber noch von zu wenig Messger ten wie sie im Kapitel 3 erl utert sind unterst tzt USB Anschl sse werden bisher lediglich im Zuge der Wandlung einer seriellen Verbindung in eine USB Verbindung mit Hilfe entsprechender Umsetzer beispielsweise von den so genannten GPS M usen genutzt 84 85 USB Ger te werden im Zuge der weiteren Betrachtungen lediglich in Form von Erweiterungs ger ten zur Nutzung der seriellen und Netzwerk Protokollmethoden eingesetzt werden worauf im Kapitel 5 zur Realisierung des Systems Uni
84. UniBw Subnetmask 255 255 0 0 IP Adressen Bereich 105 0 0 1 105 0 255 255 Gateway keiner ggf 255 255 255 255 WLAN SSID GEOSN UNIBW Typ Infrastruktur Datenrate 11 MBps WEP Key 2 40 Bit 5 Hex Zahlen 11 11 12 22 22 Authentifizierung Offen Abbildung 25 LAN und WLAN Einstellung im GeoSN UniBw Bei der Netzwerk Definition wird folgenderma en vorgegangen a Festlegung der ersten beiden Nummern des IP Adressenbereichs um dem Sys tem eine Grundlage zu geben und den lokalen Aufbau kenntlich zu machen Es wurde die Zahlenkombination 105 0 gew hlt b Die nachfolgenden zwei Zahlen sollten f r die Teilnehmer variabel sein 105 0 x x Es ergeben sich damit 65535 2 Byte m gliche Clientadressen c Um die letzten beiden Zahlen einer IP Adresse f r diese Nutzung freizugeben muss die Subnetzmaske 255 255 0 0 gew hlt werden d Da es keinen Gateway Server in diesem System gibt muss der entsprechende Eintrag frei bleiben oder ggf mit dem Wert 255 255 255 255 belegt werden Der WLAN Bestandteil des Netzes nutzt folgende Vorgaben a Als SSID Service Set Identifikation und somit Name des Systems wurde GEOSN UNIBW gew hlt Somit kann dieses Netz eindeutig unter mehreren im ther verbreiteten WLAN Netzwerken erkannt werden b Aus den im Kapitel 4 3 3 2 2 beschriebenen Gr nden muss ein infrastrukturel ler Aufbau gew hlt werden c Da der WLAN Standard 802 11b genutzt wird ist als maximale Datenrate 1
85. Universit t der Bundeswehr M nchen Fakult t f r Bauingenieur und Vermessungswesen Entwicklung und Erprobung eines multifunktionalen Geo Sensornetzwerkes f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen S nke Pink Vollst ndiger Abdruck der von der Fakult t f r Bauingenieur und Vermessungswesen der Universit t der Bundeswehr M nchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurwissenschaften Dr Ing genehmigten Dissertation 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 Universit t der Bundeswehr M nchen eingereicht Tag der m ndlichen Pr fung 19 September 2007 GeoSN UniBw Inhaltsverzeichnis Einleitung ersehen 5 I SERSDInelZzwerke rien 6 1 1 Aufbau eines Sensormelzwerken n Nasen anne 6 1 2 Anwendungsgebiete f r WSN au ea een 10 1 2 1 WSN als Steuerungssysteme usage em 10 1 2 2 WSN als M dellierungssysteme a een 11 1 2 3 WSN als berwachungssysteme uunnassesensnsaesesenenannnnenenenennnannenenennnnnnn 11 2 Geo Sensormelzwerke uisinsseiuiieen ea nn 12 2 Allsemenesnnen aD aa a aa 12 2 2 Ablauf einer berwachung uuassessesesenennnenenenenenannnnenenenennenenenenenannnnen 13 2 2 1 Datenerfassung 14 2 2 2 D tehaufbereitins naene aa
86. Voraussetzungen zu erf llen a Parallele Datenaufzeichnung von mindestens zwei Empf ngern Referenz und Ro 11 ver b Synchronisation der Beobachtungen von Referenz und Rover auf identische GPS Zeit c Fixierung der Position des Referenz Empf ngers d F higkeit der Empf nger zur Messung der Tr gerphasen des GPS Signals zumin dest auf der L1 Frequenz e Verf gbarkeit einer Software zur L sung der Tr gerphasenmehrdeutigkeit entwe der im Rover Empf nger als RTK F higkeit implementiert oder als Auswertesoft ware f r nachgeordnete Berechnungen Da die Unterscheidung des Punktes e zwischen RTK F higkeit am Rover und einer zeit lich nachgeordneter Auswertung auf einem PC zu zwei komplett unterschiedlichen Ans t zen in der berwachungsmessung mit GPS f hrt 33 sind diese zwei Ans tze separat voneinander zu betrachten Die Aspekte die bei beiden Ans tzen insbesondere hervorge hoben werden m ssen sind die notwendigen Empf ngerf higkeiten die Datenform und menge und die Anforderungen an die Kommunikation 3 2 2 DGPS mit RTK Die Nutzung des RTK Modus erfordert dass die entsprechende F higkeit dem Rover zur Verf gung steht Da eine Fixierung der Tr gerphasenmehrdeutigkeiten von GPS Messungen umfangreiche Berechnungen erfordert muss der GPS Empf nger ausreichen de Softwaref higkeit und Rechnerkapazit ten besitzen was einer Kombination des reinen GPS Boards mit einem Kleinstrechner gleichkom
87. WLAN zu erweitern L sst sich nur zusammen mit einer Root Bridge aber nicht mit einem Root Access Point einsetzen Der Anschluss drahtgebundener Teilnehmer ist m glich WLAN Root Ger te Spezifikation im Systemmanagement eines Access Access Point Points Grundeinstellung eines Access Points In einem WLAN kann es nur einen Root Access Point geben der den Anschluss drahtgebundener Teilnehmer erm glicht Seite 165 GeoSN UniBw Anlage 10 WLAN Root Ger te Spezifikation im Systemmanagement einer Bridge Bridge Bridges etwa der Firma Cisco k nnen teilweise auch als Access Points eingesetzt werden die Einstellung als Root Bridge anstelle Root Access Point erm glicht die Einbin dung von Repeater Bridges WLAN Entspricht von der Funktion einer WLAN Bridge oe i Erm glicht nur das Einbinden einer begrenzten Anzahl drahtgebundener Clients Wireless Sensor WSN Netzwerk aus Sensorknoten siehe Kap 1 Network Zentralstation Zentrale Datensenke in einem WSN die s mtliche Mess daten sammelt bzw Steuerimpulse f r einzelne Sensor knoten generiert Seite 166 GeoSN UniBw Abbildungs und Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Schematische drahtlose Netzwerkstruktur der Sensorknoten 7 Abbildung 2 Netzwerktopologie Ad Hoc links und infrastrukturell rechts siehe 8 9 Abbildung 3 Ablauf eines Analysevorganges uunn
88. a a eng 15 2 2 Datenauswertung una ERare a 16 2 3 Ziele der Erfassung von Objektver nderungen cnennennennnnesnennnnn 17 2 4 Systeme f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen un 19 2 5 GeoSN f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen nee 21 3 Sensorkomponente eines GeoSN ueeesrssnsennneneesennnneennnneennnnen nenn 25 3 1 Optisch messende Sensoren aaa NnBN 27 3 1 1 M torisierte Tachymeter u enseenenn leeane a 27 12 1 Knoten Netzwerk uanuneennie neagasiiasahekgn 30 3 13 BDisit lnivelliere a ae 31 3 24 JGPS EMmpfang era nnecnnani ne o aaa i e reine 32 Il DGPS sera R E T E A E 36 3 2 2 VDGPSMERIR ee R REA A TEE E EO 37 3 2 3 DGPS im Post Processing seien 38 33 We lechnische Sensorik ms n e aE E a EE A 40 34 Gegennberstellins suite 43 39 2 Sonstige Sensori u ae O E AE 44 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN nennsenenneenennnn 46 4l AllgemeinES ioneina n A E R RTE EE A OA RE CiS 46 4 2 Datencodierung durch Applikationen senssesseensnneennnesnnnnnn 49 4 2 1 Quellcodierung auf Sensorebene unna einen 51 4 2 2 N tzung Von ASC reen Be A 52 4 2 3 Bin re Codierung eines Erin a 56 4 2 4 ChecKs mnm a iaraa a aane no aT a AERE ART a aeaio EaR a ES 57 4 2 5 Datengenerierung der Applikationen auuunasesessiieeeinsnlanen 57 4 3 Daten bertragungstechnik near een Seins 61 4 3 1 Komm unikatisnssehnittstellen e a
89. abelle 3 Garmin etrex Rockwell DAGR Leica System 1200 Trimble 5600 er Tabelle 3 Beispiele f r Handheld und geod tische Empf nger in Lotstock Varianten Manuell bedienbare geod tische GPS Empf nger etwa der Firmen Leica und Trimble nut zen in der Regel die in 3 2 2 n her beschriebene RTK Option die es ihnen erm glicht bereits im Gel nde zentimetergenaue Positionen ber DGPS zu bestimmen und dem Nut zer f r Absteckungs oder Aufnahmeaufgaben darzustellen Allerdings werden sie dank ihres internen Datenspeichers auch f r nachgeordnete Auswertungen im Post Processing siehe Kapitel 3 2 3 herangezogen Diese Ger te haben zwar h ufig mehrere Schnittstel len f r Datenein und ausg nge sind aber prinzipiell nicht auf externe Kommandos eines Rechners bzw unmittelbare Ausgabe von Rohdaten Messungen an eine Schnittstelle aus gelegt Eine unmittelbare Datenausgabe an eine der Schnittstellen ist auch bei diesen Ge r ten zumeist nur im standardisierten Datenformat NMEA oder in Form von DGPS 7 SBAS Satellite Based Augmentation System Bereitstellung von Korrekturdaten ber geostation re Satel liten kein zus tzlicher Kommunikationskanal notwendig da die Korrekturen ber das Satellitensignal eines geostation ren Satelliten verbreitet werden 8 RTK Real Time Kinematic Seite 34 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Korrekturdaten f r andere Empf nger m glich Eine Nu
90. ann nur in Kombi nation aus Sensor und Wandler geschehen da die mechanischen Vorgaben am Sensor und die Softwareeinstellungen am Wandler aufeinander abgestimmt sein m ssen So k nnen einige Sensoren ihren kompletten elektrischen Messbereich auf einen Bruchteil des physi kalischen Messbereichs begrenzen wenn die maximalen und minimalen Auslenkungen vorab bekannt sind Dieses Vorgehen f hrt dazu dass der gemessene Bereich anschlie Bend vom A D Wandler besser aufgel st werden kann Analoge Sensoren kommen im System UniBw lediglich in Form von geotechnischen Sen soren in Kombination mit einer zugeh rigen Loggingeinheit zum Einsatz Die Konfigura tion eines derartigen Sensors wird exemplarisch an der MFF2 12 Loggingeinheit f r geo technische Sensoren der Firma Gloetzl 43 und der Gloetzl Schlauchwaage mit ABB Drucksensoren 67 erl utert Bei der genutzten Konstruktion einer Schlauchwaage wird die gesuchte Messgr e der H he der Wassers ule im Fl ssigkeitsbeh lter indirekt ber den Druck gemessen den sie auf den unterhalb des Beh lters angebrachten Drucksensor aus bt Der Drucksensor hat einen elektrischen Messbereich von 20 mA Der Druck den Wasser aus bt errechnet sich zu P Ppt tp g h 5 a A 7 1 h H he der Wassers ule p Dichte von Wasser 10 ke m g Gravitation 9 81 AA kg Druck l cm l1 Pa 0 15 Pa 1 mA sensor 1 Pa 2 mA 1mA 1 5 mm 1mA 5mm Abbildung 53 Verh ltnis physikalisches Messsignal
91. armin oder Magellan als Modul in das System integriert und ihre GPS Daten von ber das NMEA Format an die eigentliche Auswerte und Visualisierungssoftware bergeben Die Pr fixe dieses Formats stellen sich als die Zeichenkombination GP dar die noch zus tzlich mit einem nachrichtenspezifischen String kombiniert wird etwa GGA f r Positionsinformationen oder ALM f r Almanach Satellitendaten Da ASCII Daten von GPS Empf ngern blicherweise nicht f r die L sung der Phasen mehrdeutigkeiten nutzbar sind werden hier nur die ASCII Nachrichten und Befehle der Tachymeter und Loggingeinheiten f r geotechnische Sensoren betrachtet F r die in den Kapiteln 3 1 und 3 3 betrachteten Sensoren sind Nachrichten und Befehle beispielhaft in der Tabelle 7 zusammengefasst ber Pr fix Trennzeichen und Endzeichen lassen sich Nachrichten und Befehle in ihre Einzelbestandteile aufl sen Die Reihenfolge der Einzelbestandteile aller m glichen Be fehle und der zugeh rigen Antworten sind der firmenspezifischen Codierung zu entneh men Die Trennzeichen haben mitunter den zus tzlichen Vorteil dass das Format der Strings nur ber sie und nicht ber gez hlte Position eines Zeichens gerechnet von Beginn des Strings vorgegeben ist Dies hat bei Messgr en von Sensoren den Vorteil dass ein derar tiger Nachrichtenstring keine fest vorgeschriebene L nge haben muss insbesondere bei Seite 53 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikation
92. ation Seite 47 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Das OSI Modell gibt im Wesentlichen die einzelnen Vorg nge einer Daten bertragung eines Senders zu einem Empf nger mit virtuellem Datentransfer zwischen jedem Schicht paar wieder Jede Schicht auf Senderseite f gt dem Datenpaket einen Bestandteil hinzu der der zugeh rigen Schicht auf der Empf ngerseite die Analyse der Daten erm glicht siehe Abbildung 11 In einer Bottom Up Beschreibung der einzelnen Schichten stellen sich die Aufgaben wie folgt dar 71 72 73 74 a Bit bertragungsschicht Realisierung der tats chlichen technischen bertragung mittels analogem Datentr ger im Kommunikationsmedium b Sicherungsschicht Aufbereitung der Daten in eine versendbare Form durch Hin zuf gen spezieller Hilfsmittel zur Erkennung und berpr fung einzelner Datenpa kete Steuermechanismen des Kommunikationskanals c Vermittlungsschicht Datenverteilung bzw bernahme zwischen OS und Netz werk d Transportschicht Bereitstellung des Kommunikationskanals f r die Daten bertra gung zwischen zwei OS im Netzwerk e Kommunikationssteuerschicht Initiierung und Aufrechterhaltung der Verbindung zwischen zwei OS w hrend einer Session f Darstellungsschicht bersetzungsmethoden zur Darstellung der Daten bei Sen der und Empf nger g Verarbeitungsschicht Bereitstellung von Methoden zur Daten bertragung zwi schen d
93. ation und der nachfolgenden Demodulation am Empf nger sind in 69 und 87 umfangreich beschrieben Eine Me thode ist das BPSK Diese Methodik wird bei GPS Signalen angewandt um die bin ren Gold Codes der GPS Satelliten sowie den GPS Almanach auf die GPS Tr gerwellen der L1 und L2 Frequenz zu modulieren Dabei werden die Bit Zust nde 0 und 1 durch Wech sel in der Phase der Tr gerwelle repr sentiert Es werden mitunter mehrere Modulations techniken auf einen Tr ger angewendet um die Bit bertragungsrate zu erh hen Hier 1 BPSK Binary Phase Shift Keying Seite 66 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN wird dann zwischen den zwei Angaben Bit Rate oder Bps und Baud Rate oder Bauds unterschieden Die Bit Rate repr sentiert die Menge an bin ren Informationen die pro Sekunde bertragen werden w hrend die Baud Rate die Anzahl der Modulationswechsel pro Sekunde angibt Da mehrere unterschiedliche Modulationstechniken angewendet wer den k nnen ergibt sich folgende Relation zwischen den beiden Werten 71 Bit _ Rate log M Baud _ Rate 4 3 M ist die Anzahl der genutzten Modulationstechniken In der Daten bertragungstechnik wird der Begriff Bauds h ufig mit Bps verwechselt Der genutzte Modulator der Quelle und der Demodulator der Senke m ssen zum einen aufeinander und zum anderen auf das genutzte bertragungsmedium abgestimmt sein Die Abstimmung auf das Medium umschreibt die M glichkeit d
94. aulhaber Schrittmotor konstruiert Abbildung 37 Abbildung 37 Verfahreinheit mit montierter SMART ANTENNA Seite 123 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw 7 2 4 1 Konstruktion eines Bewegungssimulators Schrittmotoren besitzen die Eigenschaft das ber das Anlegen von Spannungen an ihren anlogen Hardwareeing ngen Bewegungen ausgel st werden Da der eingesetzte Motortyp prinzipiell nur zirkul re Bewegungen um die Motorachse zul sst wurde er mit einer Drehspindel verbunden die einen Sensortr ger entlang einer linearen Achse bewegt Der genutzte Schrittmotor des Herstellers Faulhaber wurde mit einer zugeh rigen Motion Manager Einheit eingesetzt die eine Steuerung von Motorfunktionen ber eine serielle Schnittstelle erm glichte ber das zugeh rige Faulhaberprogramm bzw die im zugeh ri gen Handbuch 115 beschriebenen ASCH Befehle waren so Bewegungsrichtung Bewe gungsgeschwindigkeit und beschleunigung sowie Verfahrweg genau definierbar Zus tzlich zur Anbindung des Motors an eine serielle Schnittstelle besitzt der Motion Ma nager weitere Hardwareeing nge an die Steuerleitungen anschlossen werden k nnen Spannungen an diesen Hardwareeing ngen k nnen anschlie end im Motion Manager pro grammierbare Reaktionen ausl sen Diese Hardwareeing nge wurden zum einen zur Definition so genannter Endschalter ge nutzt die ber Druckschalter maximaler Verfahrbereiche des Motors festlegen Au
95. bei wiederum Antennen der beiden Hersteller NovAtel und Leica Geosystems zum Einsatz 5 2 3 Motorisierter Tachymeter und Digitalnivellier Trotz der Hauptausrichtung der Sensorik auf GPS Empf nger wurden auch Motorisierte Tachymeter und Digitalnivelliere bez glich ihrer m glichen Einbindung in das System betrachtet Die Vorabkonfiguration stellt sich in hnlicher Weise wie bei den h ndisch zu bedienen den GPS Empf ngern dar Auch hier muss die Konfiguration f r den extern steuerbaren Remotebetrieb zun chst manuell am Instrument ber das Tastenfeld vorgegeben werden Dabei muss die serielle Schnittstelle in der Regel besitzt ein Tachymeter bzw ein Nivel lier nur einen derartigen Anschluss bez glich ihrer Parameter vorkonfiguriert werden Au erdem muss bei diesen Ger ten ggf der automatische Wechsel in einen Online Betrieb innerhalb ihrer On Board Systemstruktur bei Empfang von Signalen auf der Schnittstelle gew hrleistet sein Bei Leica Ger ten ist es notwendig den GeoCOM On Board Interpreter siehe Tabelle 7 und die zugeh rige Instrumentenfirmware zun chst mit dem Software Upload Programm in den Systemspeicher zu bertragen Anschlie end wechseln diese Ger te im abgeschalteten Zustand bei Empfang eines Signals auf der seriellen Schnittstelle automa tisch in den GeoCOM Modus Eine externe Steuerung ist bei Leica Ger ten auch ohne einen speziellen Interpreter mit Hilfe des GSI Befehlssatzes m glich Dieser ist all
96. benfalls auf mindestens 50 Watt auszudehnen Dazu wurden drei weitere Solarmodule installiert und die Versor gung somit auf 59 Watt erweitert siehe Abbildung 50 Zus tzliche Solarmdodule Abbildung 50 Erweiterte Solarmodule des Container 9 In weiteren Spannungsaufzeichnungen ber den Monat Juli siehe Abbildung 51 wurden durch diese Solarmodule die kompletten Verbrauchsleistungen des Sensorknotens 3 auch bei st rkerer Bew lkung abgefangen 14 50 14 00 N 13 50 N N Wo A i IN 13 00 IL RN D 12 50 v N 3 fe 12 00 11 50 11 00 Spannungsverlauf Sensorknoten 3 Spannungsverlauf Sensorknoten 4 10 50 10 00 r r 5 7 06 0 00 6 7 06 0 00 7 7 06 0 00 8 7 06 0 00 9 7 06 0 00 10 7 06 0 00 11 7 06 0 00 12 7 06 0 00 Datum Uhrzeit Abbildung 51 Versorgungsspannung der Knoten 3 und 4 vom 05 bis 12 07 2006 Seite 140 GeoSN UniBw Anlage 4 Aus der Untersuchung zur Stromversorgung mit Solarenergie ergibt sich dass eine Mo dul Leistung von 50 Watt in mittleren Breiten 47 N in Sommermonaten zur Versorgung eines Sensorknotens vom Typ 1 ausreicht Diese Untersuchungen umfassen nicht den Wintertest einer Solarversorgung wenn das Modul teilweise oder ganz mit Schnee be deckt ist und nur wenige Sonnenstunden am Tag zu erwarten sind Seite 141 GeoSN UniBw Anlage 5 Anlage 5 Programmumsetzung GeoSN UniBw Das Programm GeoSN UniBw ist derzeit nur auf GPS S
97. chnischen Hilfsmittel Sender Empf nger und Kanal 69 SENDER EMPF NGER DISKRETER KANAL Abbildung 9 Nachrichten bertragung analog zu 69 Der Diskrete Kanal Sender Kanal Empf nger wird noch zus tzlich in die Vorg nge der Modulation und Demodulation zerlegt 69 Rauschen Demodulator Empf nger Modulator bertragungsmedi Abbildung 10 Kommunikationsmodell analog zu 69 Zur Kommunikation zwischen einem Sender und einem Empf nger bedarf es folgender Voraussetzungen 1 die Quelle kann die zu bertragenden Nachrichten in f r den Sender verst ndliche Informationen X umwandeln 2 der Sender besitzt die F higkeit zur Weitergabe dieser Informationen an den Ka nal 3 die Daten lassen sich durch den Kanal hindurch verbreiten 4 der Empf nger besitzt die F higkeit die Daten aus dem Kanal aufzunehmen und f r die Nutzung wieder in Informationen Y umzuwandeln 5 die Senke kann die Daten von der Quelle auch nach der Ver nderung von X zu Y auswerten Seite 46 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Sehr einfach lassen sich diese Forderungen bereits an der menschlichen Sprache erl utern Der Sprecher Quelle muss seine Gedanken in Worten Signal ausdr cken k nnen Er muss diese ber seine Stimmb nder Sender mit Modulator in Form von Schallwellen Tr ger an das Medium Luft weitergeben In Luft k nnen die Schallwellen weitergeleitet werden Im Vakuum
98. chsen Die st ndig voranschreitende Vernetzung des weltweiten Datenverkehrs etwa ber das Internet f hrte schlie lich zu der berlegung auch die Natur zu vernetzen Dabei sollen beliebig geartete Ph nomene ber eine gro e Anzahl von Sensoren erfasst und deren Messwerte einem Nutzer bereits auf die wichtigen Informationen reduziert zur Verf gung gestellt werden Diese Form der vernetzten Datenerfassung ber Sensoren wird Sensor netzwerk bzw drahtloses Sensornetzwerk genannt Ziel dieser Arbeit wird im Weiteren sein zun chst den Fachterminus der drahtlosen Sen sornetzwerke zu erl utern und bereits bestehende Verkn pfungen zur Geod sie zu be trachten und zu bewerten Anschlie end soll die Thematik auf die ingenieurgeod tische berwachungsmessung bertragen werden Es werden dabei die wesentlichen Gemein samkeiten aber auch die signifikanten Unterschiede zu bisherigen Auspr gungen von berwachungsmesssystemen herausgestellt Die Erkenntnisse dieser Vergleiche und die Schlussfolgerungen f r die Nutzung von An s tzen aus dem Bereich der Sensornetzwerke f r ingenieurgeod tische berwachungs messungen werden bei den anschlie enden Betrachtungen f r Sensoren und Kommunika tionseinrichtungen dazu genutzt die optimale Kombination aus Sensor und Kommunika tion f r das multifunktionale Geo Sensornetzwerk GeoSN UniBw auszuw hlen Die Entscheidungen bez glich Sensorik und Kommunikationsmittel werden dann in einer
99. cht wird Daten bertra Duplex Bidirektionale Daten bertragung in der alle DTE parallel gung Full Datenquelle und senke sein k nnen Ruples Form der Daten bertragung die mehrere physikalische oder logische Kan le ben tigt Die zugeh rigen DCE m s sen die F higkeit zum gleichzeitigen Senden und Empfan gen besitzen Institute of Elec IEEE Berufsverband von Ingenieuren der Elektrotechnik und trical and Elec tronics Engineers Informatik Gibt Normen f r Techniken Hardware und Software her aus Die IEEE Norm 802 besch ftigt sich mit dem Thema LAN und legt etwa die Standards dieser Kommunikationsform f r obersten beiden Schichten des OSI Modells fest Seite 163 GeoSN UniBw Anlage 10 Local Area Net LAN Kommunikationsnetzwerk aus Rechnern Open Systems Ru F r drahtgebundene LAN Verbindungen werden i d R Kupferkabel mit RJ45 Steckern Buchsen genutzt Ethernet ist dabei ein h ufig genutzter Standard der etwa in der Fast Ethernet Variante bertragungsraten von 100 MBps erm glicht Open System OSI Norm f r die Festlegung von Kommunikationsebenen Interconnection schichten zwischen Open Systems zugeh rige Grafik siehe Abbildung 11 Open Systems OS Umschreibung elektronischer Rechnersysteme Registered Jack RJ Steckverbindertyp aus dem Bereich Telefon und Netz genormte Buch werkverkabelungen N Wie bei D Sub gibt es bez glich des genutzten Gr e und des
100. chweiz 2003 19 Rosenkranz H Wachsmann G Mehl J Schwimmlote mit selbstzentrierender Sonde nach dem ACD Verfahren Erste Erfahrungen Wasserwirtschaft Jg 94 Nr 1 2 2004 20 Albert J Seyler S Verformungsmessungen an Br ckenbauwerken aus Bildsequen zen 14th International Conference on Engineering Surveying Z rich Schweiz M rz 2004 21 Wieser A Brunner F K Deformationsmessungen einer Schr gkabelbr cke Interdis ziplin re Messaufgaben im Bauwesen DVW Schriftenreihe Band 46 Weimar Deutschland September 2004 22 Hariri K Monitoring der Herrenbr cke in L beck Interdisziplin re Messaufgaben im Bauwesen DVW Schriftenreihe 43 Weimar Deutschland 2002 23 Opitz H Messtechnik bei Belastungsversuchen an Hoch und Br ckenbauwerken des Massivbaues Messtechniken und Auswertealgorithmen f r die Deformationsanalyse heute und morgen DVW Schriftenreihe 30 Dresden Deutschland September 1997 24 Lierse J Niemann J Bautechnische Messaufgabe im Zuge der Errichtung berwa chung und Instandsetzung von Bauwerken Interdisziplin re Messaufgaben im Bauwe sen DVW Schriftenreihe Band 46 Weimar Deutschland September 2004 25 Knecht A Manetti L Using GPS in structural health monitoring 8th annual interna tional symposium on smart structures and materials Newport Beach USA 4 8 M rz 2001 26 Menger T Monitoring an Ingenieurbauwerken am Beispiel Elbstrombr cke Interdis ziplin re Messaufgab
101. d den Fixpunkt des gesamten WLAN von dem sich alle weiteren Verzweigungen des Netzwerks aufbauen Es ist zwar nicht erfor derlich dass der gesamte WLAN Verkehr ber diesen Punkt abgewickelt wird aber jeder Teilnehmer muss ber verschiedene Zwischenpunkte eine Verbindung zu diesem Ger t besitzen Der Root Access Point besitzt grunds tzlich eine Verbindung zum drahtgebun denen Netzwerk Bridges sind f r die Einbindung weiterer Drahtnetzwerkteile zust ndig Teilweise besitzen sie zus tzlich die F higkeit WLAN Signale weiterer drahtloser Clients entgegen zu nehmen und damit als Repeater Bridges zu agieren Reine Repeater oder Repeater Access Points sind lediglich f r die Weiterleitung von WLAN Signalen ber weitere Strecken verantwortlich und k nnen keine drahtgebundenen Clients angliedern 31 SSID Service Set Identifikation siehe auch Glossar Anlage 10 2 WEP Wired Equivalent Privacy siehe auch Glossar Anlage 10 3 WPA Wi Fi Protected Access siehe auch Glossar Anlage 10 Seite 74 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Root Access Point Root Bridge Abbildung 21 Infrastrukturelles WLAN Die Daten bertragungstechnik von WLAN nutzt lizenzfreie UHF Frequenzen im Bereich von 2 bis 2 5 GHz Diese hohen Frequenzen lassen in Zusammenhang mit speziellen Mo dulationsalgorithmen Daten bertragungsraten von 11 MBps im WLAN Standard IEEE 802 11b von 1999 und 54 MBps im 2003 entwickelten 802 11g Standard
102. darf beim Tachymeter ist lediglich durch die gestiegene Betriebszeit aufgrund des Anfahren und Messen weiterer Prismen einzuplanen Der Vorteil dass keine Modifikationen an Rechner Kommunikation und Stromversor gung vorgenommen werden m ssen wird dadurch erkauft dass die Sensoren nur sukzes siv und nicht parallel abgefragt das hei t angefahren und gemessen werden k nnen Dies muss bei der Definition der Zyklen in denen bestimmte Objektpunkte angemessen werden sollen ber cksichtigt werden Objektpunkte f r die nur geringe Ver nderungen pr diziert sind sowie die Referenzpunkte m ssen ggf nur in gr eren Zeitabschnitten angefahren werden Einen Spezialfall der Nutzung von Prismen als Sensorknoten nehmen die aktiven Prismen ein Derartige Ger te liefern neben der reinen Reflektion des Messstrahls ber die Tripel spiegel zum Beispiel ber leuchtende LEDs oder einen weiteren Infrarotstrahl zus tzliche Informationen So kann das Prisma bereits w hrend der Messung dem Tachymeter etwa seine Identifikation mitteilen 49 Diese Form der Informations bergabe ist bei Tachyme tern noch begrenzt aber eine Weiterentwicklung hin zu aktiven Sensoren am Prisma bietet hierbei weiteres Entwicklungspotential Ein Beispiel f r eine derartige Anwendung stellt die T Probe des LTD800 53 dar bei deren Anwendung Informationen auf den EDM Messstrahl aufmoduliert und im Messger t ausgewertet werden Die Kombination mit dem Gegenst ck Prisma f
103. dbuch Version 2 3 Satel Oy Salo Finnland 2002 http www satel com 89 Produktbeschreibung RSX Range of intelligent Modems Operating Instructions Wood amp Douglas Ltd Tadley Hants GB August 2002 http www woodanddouglas co uk Seite 174 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 90 Produktbeschreibung Reference Guide Cisco Aironet Antennas and Accessories Cisco Systems Inc San Jose USA November 2007 www cisco com 91 H ndler Information Funk LAN Reichweiten SSB Electronic GmbH Iserlohn Deutschland M rz 2001 http www ssb de start_d shtml 92 Informationsbrosch re GrafNav GrafNet NovAtel Inc Calgary Canada 08 03 2007 www NovAtel com 93 Produktbeschreibung Cisco Aironet 2 4 GHz and 5 GHz Antennas and Accessories Cisco Systems Inc San Jose USA November 2006 www cisco com 94 Produktbeschreibung Edgeport USB Expansion Modules Installation Guide Inside Out Networks Austin USA August 2004 www ionetworks com 95 Produktbeschreibung USB 2 0 6 in 1 7 in 1 Docking Station www ks computertechnik de bilder Produkte docking pdf Zugriff 14 03 2007 96 Produktbeschreibung SMART ANTENNA Pdf Dokument NovAtel Inc Calgary Canada 2006 www NovAtel com 97 DOD Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests Wright Patterson AFB USA Jan 2000 98 Produktbeschreibung GPS PS1 GPS Receiver Module Data Sheet u blox AG Thal wil Schweiz
104. des Abdeckungsgebiets des WLAN erreicht Die dritte Form eines Sensorknotens die bereits als Repeater Rechner unter 5 4 4 ange deutet wurde umfasst einen selbst ndigen Desktop PC der hnliche F higkeiten und Ausstattung wie die Zentralstation unter 5 1 besitzt Auch sein Aufbau ist hnlich mit gesicherter Stromversorgung und fester Installation Auf solchen Rechnern sind dar ber hinaus eine redundante Datenhaltung aller angebundener Sensoren und Knoten sowie eine Zentralisierung des weitergeleiteten Datenstroms m glich Dieser Ansatz wird im Kapitel 7 2 1 1 vertieft behandelt Seite 96 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Das Steuerprogramm des GeoSN UniBw ist auf Basis von LabVIEW der Firma National Instruments verfasst 112 Die Programmierung umfasst bei der Dreiteilung des gesamten Arbeitsganges gem der Abbildung 3 die Basis der Datenaquisition der Vorverarbeitung der rohen Messwerte zu nutzbaren Informationen insbesondere der GPS Rohdaten zu gel sten Basislinien und die Datenarchivierung Die anschlie ende Auswertung der Beo bachtungen der berwachungsmessung geschieht mit dem Programm GOCA der FH Karlsruhe 32 Nachfolgend werden die Schritte im Steuerprogramm schematisch erl u tert Ein genauer Ablauf der einzelnen Programmschritte im GeoSN UniBw kann der Anlage 5 entnommen werden 6 1 Vorabkonfigurationen F r die Sens
105. diesen lo gischen Softwareeinrichtungen baut sich die Schnittstelle 1 SW SS1 auf Sie definiert den Eingang zur Verarbeitungsschicht des OSI Modells siehe Abbildung 11 und bietet damit die Methoden zur Steuerung der Kommunikation durch Befehle innerhalb der Ap plikation Die Daten X1 die hierbei von der Applikation bergeben werden sind lediglich quellcodiert siehe Kapitel 4 2 Der bergang zwischen dem Board und dem DCEI ist die erste Hardwareschnittstelle HW SS 1 Diese Schnittstelle ist immer kabelgebunden aber in der Regel nur sehr kurz gehalten ggf ist das DCEI auf das Board gel tet Die Daten X1 haben nun bereits die Schichten des OSI Modells durchlaufen und sind f r die Daten bertragung mit entspre chenden Zusatzinformation versehen worden die insbesondere das Ziel des Datenpakets und Fehlerkontrollen im Zuge der bertragung widerspiegeln Diese Umformung der Da ten X1 entspricht ihrer Einbindung als Nutzerdaten in das Datenprotokoll X2 siehe Kapi tel 4 3 2 Die n chste Hardwareschnittstelle HW SS 2 liegt zwischen DCE1 und DCE2 und stellt den tats chlichen bertragungsweg der Nachrichten innerhalb eines Mediums dar siehe Abbildung 10 Obwohl die Daten auch schon entlang von HW SS 1 als modulierte Daten in dem Medium Kabelleitung gelten m ssen da sie nur so transportiert werden k nnen wird meist erst hier von dem bergang von digitalen Daten zum modulierten Tr gersignal gesprochen Entlang dieses Weges k nn
106. dig angemessen wird Eine Speicherung von Messungen findet aber nur gem Nutzervorgaben in Bezug auf vergangene Zeit minimal 1 Sekunde oder zur ckgelegte Strecke des verfolgten Ziel punktes statt Dieses Programm kann nur ein Ziel berwachen und ist somit zum Beispiel f r eine Fahrzeugverfolgung wie etwa bei der Maschinensteuerung eines Baustellenfahr zeuges geeignet 51 Das zweite On Board Programm f r berwachungsmessungen ist das Programm Moni toring Es erm glicht das zeitgesteuerte Anfahren einer vorzugebenden Anzahl von Pris men die in einer vorangegangenen Anlernphase definiert worden sind F r einen Mess zyklus k nnen die Anzahl der S tze und eine Zwei Lagen Messung definiert werden Fer ner ist nur die Wartezeit zwischen zwei Zyklen und die Zeiten des ersten und des letzten Zyklus vorzugeben Beide Programme k nnen die Daten im internen Speicher ablegen oder an die RS232 Schnittstelle des Ger tes ausgeben Das manuelle Anzielen von Zielpunkten das den normalen Arbeitsvorgang zur Erzeugung eines Messwertes einleitet ist in der Regel auch bei automatischen Messaufgaben durch ein der permanenten berwachung vorangehendes Anlernen von Messstellungen notwen dig Das Anlernen dieser Messstellungen ist allerdings auch ber ein zeitlich aufwendiges Suchen der Prismen im Umkreis ber die automatische Zielfindung im Fernsteuerungs modus m glich Bei Nutzung der hier betrachteten Ger te k nnen St rungen au
107. digen Messwerten der Tr gerphasen der Satellitensignale anbietet und ein Abspeichern von RINEX Dateien in der Regel nicht m glich ist Um bin re GPS Daten in das RINEX Format umzuwandeln sind wiederum spezielle Konvertierungsprogramme seitens der Empf ngerhersteller not wendig Beispiele hierf r sind das Programm GPS Convert der Firma NovAtel 41 oder die RINEX Option im Leica Geo Office 40 Das konzipierte GeoSN soll offen und Hersteller unabh ngig sein sowie weitgehend au tomatisch arbeiten Somit muss ein Auswerteprogramm f r GPS Daten zur Anwendung kommen das Rohdaten verschiedener Empf ngertypen im firmeneigenen bin ren Format unterst tzt und au erdem ohne Nutzerinteraktion im Betrieb zeitlich gesteuert automatisch die Auswertung durchf hren kann In dem GeoSN UniBw wird dazu das Programmsystem GrafNav der Firma Waypoint 41 genutzt das im Kapitel 6 2 3 genauer erl utert wird Dieses Programm unterst tzt Rohda ten vieler GPS Empf nger und bietet die F higkeit die Tr gerphasenmehrdeutigkeiten auch von Low Cost Empf ngern zu l sen Au erdem ist es durch externe Programme mit tels Batch Befehlen ansprechbar und somit nicht auf manuelle Nutzerinteraktion angewie sen F r Post Processing Aufgaben sind folgende Dateninformationen notwendig a Ephemeriden der empfangenen Satelliten nur bei der ersten Akquisition und bei einer Ver nderung b Code und Phasenmessungen zu den empfangenen Satelliten zumeist als
108. dung zwischen der WLAN Antenne des Sensorknoten 4 und der Antenne des Sensorknotens 5 siehe Abbildung 42 allerdings konnte wiederum keine fehlerfreie Verbindung aufgebaut wer den Innerhalb des Association Tables der Bridge des Sensorknoten 2 wurde zwar der COM Server des Sensorknoten 4 als Teilnehmer erkannt aber die Verbindungsqualit t reichte nicht aus um seine IP Adresse zu entschl sseln und ihn dadurch nutzbar zu ma chen Verbindungstests innerhalb des GUI der Bridge wiesen Fehler im Link Test und beim Anpingen des COM Servers aus Es verblieb somit die Schlussfolgerung dass die Sendeleistung zwischen den Ger ten noch zu schwach und die Fresnelsche Zone noch immer zu stark gest rt ist In der Reali sierung der Verbindung wurde die Yagi Antenne des Sensorknotens 4 durch eine Omni Antenne gleichen Typs wie bei Sensorknoten 5 ersetzt Dies erm glichte zum einen eine Verst rkung des Gains um weitere 12 dB und zum anderen eine Erh hung der Antenne auf Sensorknoten 4 um ca 1 5 m auf 4 m und damit eine weitere Verlagerung der Fresnel zone weg vom blockierenden Geb ude siehe Abbildung 43 Abbildung 43 realisierte WLAN Verbindung ber Knoten 5 bersicht aller im drahtlosen und drahtgebundenen Netz aktiven Teilnehmer im GUI von Ger ten der Firma Cisco Seite 133 GeoSN UniBw Anlage 2 Wird der Radius von 60 der Fresnelzone an der Position des neu errichteten Geb udes nach der Formel 4 4 siehe Ka
109. e Integration in eigens konzipierte Systeme m glich macht und zum anderen als bereits gekapselte Komplettsysteme so genannte Enclosures Hierbei wurden die Board PINs bereits mit standardisierten Schnittstellen und Stromver sorgungsanschl ssen versehen und die Platinenelemente sind durch die Kapselung vor u eren Einfl ssen gesch tzt Eine Nutzung der OEM Empf nger ist in der Regel mittels der firmeneigenen Programme der Hersteller f r den entsprechenden Empf ngertypen vorgesehen die normalerweise frei im Internet publiziert werden Diese Programme besitzen zumeist eine bersichtliche gra phische Bedienoberfl che sehen den Empf ngeranschluss an eine serielle Schnittstelle des genutzten Rechners vor und erm glichen es neben dem Empfang von Daten sowie deren Visualisierung und Speicherung den Empf nger f r bestimmte Aufgaben vorzukon figurieren die dieser sp ter dann auch ohne eine erneute Anbindung an die Software aus f hrt OEM Original Equipment Manufacturer Hersteller fertiger Komponenten Seite 35 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Erzeugte Daten und die notwendigen Steuerbefehle liegen zumeist in zwei Formen vor Einer empf ngereigenen bin ren Form und einer ASCIH Form Die ASCII Form ist h ufig an das NMEA Format angelehnt Da nicht alle Anwendungen dieser Empf nger mit diesen bereitgestellten Programmen gel st werden k nnen wie es auch bei der hier untersuchten Anwendung in einem
110. e Stromimpulse Zeichen bez glich der Kommunikation geben 5 Verst rkung Verteilung und Reparatur Durch elektronische Bauteile entlang der Kabelstrecke ist es sehr einfach m glich Kabel strecken zu ver ndern Signalverst rker erm glichen Verl ngerungen der Kabelstrecken indem sie abgeschw chte Signale aufnehmen und anschlie end verst rkt wieder weiterlei ten Durch Leitungstrenner kann die Kabelstruktur weiter verzweigt und durch berbr ckungsger te eine unterbrochene Kabelstrecke wieder verbunden werden Seite 68 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Nachteile 1 Installationsaufwand Ein Kabel muss entweder unterirdisch oder ber Masten in ausreichender H he ber dem Erdboden verlegt werden um es vor u eren Einfl ssen zu sch tzen Dies ergibt bei der Verbindung zweier Ger te einen besonders hohen Installationsaufwand wenn das Kabel dabei entsprechend der Topographie etwa ber ein Tal hinweg verlegt werden muss 2 Kosten Die Kosten f r Kabel steigen nahezu linear mit der verlegten Kabelstrecke H here Quali t t was D mpfungseigenschaften und Mehradrigkeit des Kabels betrifft steigern diese Kosten noch zus tzlich Neben den reinen Materialkosten kommen noch die Installations aufwendungen hinzu die etwa in gleicher Weise ansteigen wie die Materialkosten Insbe sondere in schwer zug nglichen Gebieten k nnen dabei noch Zusatzkosten auftreten 3 Besch digung Bei ein
111. echenden Sensors ber Polling Nachrichten Hierbei ergibt sich die Notwendigkeit der vorangegan genen Konfigurationen gem Kapitels 6 1 da von konstanten Festlegungen be z glich der Kommunikation ausgegangen werden muss Vorhalten der Systemparameter in Variablen Diese Variablen dienen zum einen der Visualisierung des Systemzustandes etwa der laufenden Aufzeichnung und zum anderen der Ubergabe notwendiger Informa tionen zu den Sensoren und dem Systemzustand zwischen Subprogrammen Seite 100 Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw GeoSN UniBw 10SUag zaone Uegen A FOSUIS IINGIE UAGE A uappyonosuag uappyonosuag any tafeprayaradg rap ua3apuy Iry rspepraypradg sap ua3ap r Zungsjsinawajs g UALOTFEUFFOFUANSIS S z9p Buruarsmenst A SIOSUaS sap ZUTLTaTISMerFU SIOSUIS sap ZUTWSISMETU Zunpwmgra A Ja z4a N Jap USUJO Zump mgra A yuryuajeg sap uapanas 3p VAWO ZunZnysrss otuag 1pm vauggJo wpa s2un2espaq f sopd wpumgasgpig dldoL ssnyasuezosuag penas uomeyumnww oy Iap BuruaIsmeru UAYELTEA VIOD MY 1p wezwajs g uae qo sap aumpewmag n systads 1ap uada y Seite 101 Abbildung 30 Blockdiagramm der Initialisierung GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw 6 2 2 Datenerfassung und Kommunikation Anders als bei der h ufig ereignisgesteuerten bersendung von Messungen der Sensor knoten in einem WSN zeic
112. eferenz 1000 Da alle Sensoren f r den beobachteten Zeitraum in stabilen und unver nderten Punkaufbauten angebracht wurden sind die Berechnungen mittlerer Positionen gerechtfertigt Seite 118 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Rover 1000 2000 13000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 fehlgeschlagene 38 3 7 4 3 1 13 4 5 Berechnungen Prozentual 5 99 0 47 11 10 0 63 10 47 10 16 2 05 0 63 10 79 grobe Fehler 1 0 1 0 0 0 0 1 0 Prozentual 0 17 JO 0 16 10 0 0 0 0 16 JO Max AX mm 49 2 56 9 21 0 19 9 134 3 15 7 1 25 9 21 3 18 4 Max AY mm 32 3 47 6 40 7 19 9 18 7 2 22 3 48 1 19 9 Max AZ mm 230 4 40 9 200 9 24 9 41 8 21 4 27 3 212 9 21 2 sx mm 62 7ni 58 49 a8 145 59 153 150 sy mm 31 40 138 26 28 93 127 98 124 sz mm 11 6 78 1113 60 58 153 I66 19 7 150 Tabelle 13 Ergebnisse der Rover in Bezug auf Referenz 1001 Die von den Ausrei ern bereinigten Mittelwerte weisen Standardabweichungen im Milli meterbereich auf und die maximalen Verbesserungen betragen wenige Zentimeter Der Punkt 3000 sticht hierbei mit den gr ten verbleibenden Abweichungen heraus was aller dings auf systematische Effekte an diesem Punkt zur ckzuf hren ist was im Kapitel 7 2 3 noch vertieft wird Der Rover 2000 weist erwartungsgem bezogen auf die Basislinie gegen ber der Refe renz 1000 die niedrigsten Standa
113. egriert werden aller dings ist es nicht grunds tzlich auf derartige Sensoren ausgelegt Im hier entwickelten Seite 23 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk GeoSN UniBw stehen insbesondere die Aspekte Multifunktionalit t und weitgehend drahtlose Daten bertragung im Vordergrund Da das GeoSN UniBw multifunktionell sein soll werden alle f r die berwachung geo metrischer Ver nderungen nutzbaren Sensoren im Kapitel 3 als Sensorkomponente eines im GeoSN analysiert F r eine praktische Anwendung des Systems wird hierbei bereits die Nutzung zur Beobachtung einer Hangrutschung im Vordergrund stehen Die hohe Kom plexit t der eingesetzten Sensoren bez glich der erzeugten Daten und die ggf gro en Ab st nde zwischen Sensorknoten in Bezug auf das zu berwachende Objekt erfordern be sondere Planung der bertragungsraten und der Kommunikationsverbindungen zwischen Knoten und Zentralstation Die f r das GeoSN UniBw in Frage kommenden Kommunika tionsmedien werden in Kapitel 4 betrachtet und die optimale L sung f r weitgehend drahtlose Kommunikation in Verbindung mit der geplanten Sensorkomponente festgelegt Seite 24 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN 3 Sensorkomponente eines GeoSN Eine der wesentlichen Neuerungen bei der Nutzung eines GeoSN zur Erfassung von Ob jektbewegungen gegen ber den bisherigen Ans tzen der ingenieurgeod tischen berwa chungsmessungen ist die Nutzung von Sensorknoten Wi
114. ei H 595 576 03 07 06 04 07 06 05 07 06 06 07 06 07 07 06 08 07 06 1 3022 m Abbildung 54 Ungefilterte Zeitreihe vom 02 07 08 07 2006 0 1836 m Sensor 7000 X 5327049 711 l Y 4473503 129 Ang putntunl eojtadagdelearan urn nnd nt ge m H 596 343 03 07 06 04 07 06 05 07 06 06 07 06 07 07 06 08 07 06 0 1836 m Abbildung 55 Gefilterte Zeitreihe vom 02 07 08 07 2006 0 1836 m Sensor 7000 X 5327049 711 Y 4473503 129 z gt H 596 343 07 07 07 07 07 07 06 08 07 06 0 1836 m Abbildung 56 Gefilterte Zeitreihe vom 02 07 08 07 2006 mit gleitenden Mittelwert Um die drei Schritte der Auswertung in GOCA besser erkennen zu k nnen werden sie speziell f r den 04 07 2006 noch einmal genauer betrachtet Seite 157 GeoSN UniBw Anlage 8 0 1894 m Sensor 7000 X 5327049 711 Y 4473502 938 H 596 392 0 1894 m Abbildung 57 Ungefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 0 0220 m Sensor 7000 X 5327049 720 Y 4473503 119 H 596 281 0 0220 m Abbildung 58 Gefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 Zwischen der Abbildung 57 und Abbildung 58 ist das Herausfiltern der fehlerhaften Ba sislinienbestimmung um 3 45 zu erkennen 0 0220 m Sensor 7000 X 5327049 720 x 4473503 119 H 596 281 0 0220 m Abbildung 59 Gefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 mit gleitenden Mitt
115. eines WLAN durch Repeater auch in schwierigen Konstellationen berbr ckt werden k nnen Seite 134 GeoSN UniBw Anlage 3 Anlage 3 Nutzbarkeit unter extremen klimatischen Be dingungen Die Untersuchungen zur Nutzbarkeit der Sensorknoten unter extremen klimatischen Be dingungen wurden mittels eines K lte und eines Hitzetests umgesetzt Der K ltetest wurde vom 30 bis zum 31 01 2006 ber 24 Std in der Klimakammer des Geod tischen Labors durchgef hrt um die Funktionalit t eines Sensorknotens auch bei niedrigen Temperaturen zu berpr fen Da die genutzten Schaltschr nke siehe Abbildung 27 und Abbildung 28 keine eigene Isolierung besitzen wurde der untersuchte Schalt schrank mit einer zus tzlichen Umh llung in Form einer Zarges Aluminiumkiste verse hen Der Zwischenraum zwischen den beiden Beh ltern wurde mittels eines D mmstoffs in Form von Styroporsp nen ausgef llt Im Test wurde die Klimakammer auf 15 abgek hlt und die Temperatur ber einen digi talen Meteo Sensor vom Typ Thommen HM30 118 berwacht Da dieser Meteo Sensor mit zwei Temperaturf hlern ausgestattet ist konnten parallel die Au entemperatur inner halb der Klimakammer und die Innentemperatur im Beh lter des Sensorknotens registriert werden Es ergab sich folgender Temperaturverlauf ber die 24 Stunden 30 25 Tempertur Klimakammer 20 Tempertur Sensorknoten 15 10 Temp C z 10000 2
116. eise der Netzwerkkarte ber die er angesprochen wird Allerdings ist diese f r einen Nutzer in den meisten Anwendungen unsichtbar da sie nur innerhalb der Softwarealgorithmen des OSI genutzt wird Eine Applikation auf der Seite der Datenquelle hat lediglich die Adresse der Datensenke im Netzwerk vorzugeben und welche Softwareschnittstelle die Applikation dort zur OSI Software nutzt Alle Datenpakete einer Applikation werden anschlie end hnlich wie bei der in Kapitel 4 2 angesprochenen Datencodierung auf Applikationsebene f r die ber tragung mit erkennbaren Pr ambeln und zus tzlichen Protokollinformationen zur Zielad resse Web 15 versehen und in fest vorgegebene Nachrichtenl ngen unterteilt Eine Form dieser Codierung ist die durch das Internet bekannte Form des Transmission Control Protocol Internet Protocol TCP IP das urspr nglich vom US Amerikanischen Verteidigungsministerium DOD entwickelt wurde und die OSI Schichten Transport und Vermittlung beeinflusst Hier wird die Adresse der Senke mit der IP Adresse Web 16 vorgegeben und die genutzte Softwareschnittstelle mittels des Ports So nutzen etwa die bekannten Internet Datei bertragungsformen HTTP den Port 80 und FTP den Port 21 Web 17 Die starke Integration von Software erm glicht es einem Nutzer ber die so genannten Sockets Kombination aus IP Adresse und Port Softwareschnittstelle von Applikationen zur Netzwerk Kommunikation oder anderen Applikationen prinzi
117. elrichtung der Systeme wiedergeben eine F higkeit zur Beobachtung und Erfassung geometrischer Gr en zu besitzen Der Namensteil Netzwerk steht im Vordergrund und beschreibt vor allem die Kommunikation in Netzwerkstrukturen auf Basis eindeutiger Adressierungen wie sie in einem WSN grunds tzlich genutzt wird siehe Kapitel 4 Die geod tischen Netzwerkstrukturen der Sensoren aus Fest und Objektpunkten flie en zwar mit ein bilden aber nicht den Schwerpunkt 2 1 Allgemeines Die Integration etwa der Knotenposition als messbare Gr e ergibt eine Abkehr von eini gen der urspr nglichen Anforderung an ein WSN Zum einen ist eine rein willk rliche Sensoranordnung f r diese Eins tze m glicherweise nicht mehr anwendbar wenn die Knoten bereits bei der Installation nach bestimmten Anforderungen an optimale Bedin gungen f r die zu berwachenden Gr en verteilt werden m ssen Zum anderen sind der artige Sensoren in der Regel f r l ngere Beobachtungszeitr ume zu konzipieren so dass h ufig eine permanente Stromversorgung und besonders angepasste Formen der Daten bertragung gew hrleist werden m ssen Diese Systeme m ssen somit als eine Untermenge der WSN angesehen werden wobei es allerdings bereits berlegungen gibt dass WSN prinzipiell immer auch Koordinatenin formationen jedes Knotens enthalten m ssen um die eigentliche Sensormessung an eine Position zu koppeln 10 Nur so sind r umlich detaillierte Modellierungen der
118. elwert In der Abbildung 59 ist zu erkennen wie die Nutzung des gleitenden Mittelwerts der als zus tzliche verst rkte Linie dargestellt ist die Kurven gl ttet und damit die in Tabelle 15 angesprochenen Reduzierungen der maximalen Abweichungen zum Mittelwert und die Verringerung der empirischen Standardabweichungen erreicht werden Bei der Betrach tung der Kurven der gleitenden Mittelwerte kann au erdem die schlechtere Qualit t der Bestimmungen der H henkomponente gegen ber den Lagekomponenten erkannt werden die sich bekannterma en aus der GPS Konstellation ergibt Die Nutzung der L1 Norm zur Mittelbildung hat au erdem den Vorteil dass verbliebene Abweichungen in den Beobachtungen in ihrem Einfluss auf den gleitenden Mittelwertver lauf minimiert werden wie in Abbildung 60 deutlich wird 0 1836 m Sensor 7000 N X 5327049 711 N eg ET gen ann m nn n S a X 4473503 188 AA ma 0 1836 m Abbildung 60 Gefilterte Zeitreihe vom 05 07 2006 mit gleitenden Mittelwert Als Fazit aus diesen Auswertungen ergibt sich dass im GeoSN fehlerhafte Ergebnisse innerhalb der Aufbereitung der rohen GPS Beobachtungen hin zu GPS Basislinien auftre Seite 158 GeoSN UniBw Anlage 8 ten k nnen die vor der Beurteilung der Beobachtungen herausgefiltert werden m ssen Wenn nicht alle diese Abweichungen ber einfache Qualit tsmerkmale wie die berechne ten Standardabweichungen der Basislinie vorab au
119. em Trennen vom Stromnetz f r den Betrieb konfiguriert Die Wahl der Standardsensorik fiel letztlich auf die NovAtel SMART ANTENNA da die Auswertung ihrer Rohdaten in dem Prozessierungsprogramm GrafNav in den Vorstudien die besten Ergebnisse ergab 5 2 2 High End GPS Empf nger Neben Low Cost Empf ngern kamen auch einige High End Empf nger zum Einsatz die GPS Tr gerfrequenzen zus tzlich auf der L2 Frequenz messen k nnen Da derartige Ger te derzeit preislich wesentlich h her ausfallen als die reinen L1 Empf nger ist ihre gene relle Nutzung im GeoSN nicht vorgesehen Die geplanten Erweiterungen des GPS Systems hin zu einer freien Verf gbarkeit der L2 Frequenz auch f r Code Messungen C A Code auf L2 Frequenz und der Einf hrung der dritten L5 Frequenz wird hier zu k nftig allerdings deutliches Entwicklungspotential bieten High End Empf nger werden derzeit nur sehr vereinzelt etwa als Referenzstationen oder als Rover zur Kompensation ionosph rischer Effekte bei gro en H henunterschieden zwischen Referenz und Rover wie beispielsweise im IVM CODMS 33 eingesetzt werden 4 GUI Graphical User Interface Men gesteuertes graphisches Programm f r Steuerbefehle Seite 82 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Untersucht wurden dabei OEM3 PROPAK II Empf nger in der MiLLenium Version der Firma NovAtel Neben diesem Empf nger wurden auch die GPS500 und GPS1200 Empf nger der Firma Leica Geosystem
120. en Basislinienberechnungen der Rover in der FIN Datei abgelegt Hierbei werden auch Basislinienberechnungen zu verschiedenen Referenz stationen in einem Ergebnis pro Rover kombiniert Im Zuge der bertragung der Beo bachtungen aus der GKA Datei in die FIN Datei werden au erdem die global kartesischen GPS Koordinaten in Abbildungskoordinaten GK oder UTM Abbildung umgerechnet um Punktbewegungen besser nach Lage und H he beurteilen und visualisieren zu k nnen Die so bereinigten Messwerte k nnen anschlie end ber vorgegebene Filterungsoperato ren etwa gleitende Mittelwerte bzw ber Kalmanf lter gegl ttet werden Die so erzeug ten gegl tteten Beobachtungsreihen werden in der MVE bzw KAL Datei abgelegt Bei der Daten bernahme in GOCA werden die Ver nderungen zwischen aufeinander fol gende Epochen weiter untersucht Ver ndertet sich eine Basislinie zwischen zwei Epochen um einen vorgegebenen Wert Alarmierungsgrenze so kann GOCA dies als so genannten Sprung identifizieren und legt eine entsprechende Meldung in einer SHT Datei ab Ein so identifizierter Sprung kann wiederum zu Ma nahmen wie der bersendung von SMS oder Email Nachrichten an einen Auswerter f hren Innerhalb der GOCA Auswertung der hier betrachteten Zeitreihe werden keine Beobach tungsfilter vorgegeben da falsch berechnete Basislinien bereits im Systemprogramm her ausgefiltert wurden Allerdings werden maximale Abweichungen einer Basislinienauswer tung z
121. en Str men kaum eine Beeinflussung der Umwelt er folgt 2 Hohe bertragungskapazit t Durch die hohen Geschwindigkeiten der analogen Signale innerhalb des festen Leiters k nnen auch hohe bertragungskapazit ten erreicht werden Insbesondere bei der Nut zung von Lichtsignalen innerhalb von Glasfaserkabeln sind so mehre Gigabit pro Sekunde m glich Aber auch mit Stromsignalen innerhalb von Metallleitungen lassen sich bertra gungsraten von einigen Megabit pro Sekunde erreichen 71 Diese hohen Geschwindig keiten bilden die Grundlage der Nutzung von Telefonleitungen und Netzwerken auf Basis des Internet Protokolls 3 Spezifizierung des bertragungswegs Der Signalweg einer drahtgebundenen bertragungsstrecke ist durch den verlegten Lei tungsweg spezifiziert Es k nnen Hindernisse umgangen bzw durchbrochen werden Teilnehmer der bertragungsstrecke k nnen nur mit entsprechender Hardware integriert werden was die Anzahl der Kommunikationsteilnehmer in einer vorher geplanten Anzahl h lt 4 Mehrere Leitungen pro Strecke Bei der Verlegung eines Leitungskabels ist es durch einfache Auswahl der Anzahl der Adern des genutzten Kabels m glich ohne gro en zus tzlichen Installationsaufwand die bertragungskapazit t zu erh hen oder Leitungen f r gesonderte Signale oder eine Stromversorgung vorzusehen Die gesonderten Signale dienen dabei auch der Integrit ts steigerung der Kommunikation indem die Teilnehmer sich durch einfach
122. en diese unterschiedlichen Amplituden einer periodischen Starrk rperbewegung des Gesamtobjektes Aufgrund der Gr e der Effekte von ca 5 cm zwischen minimaler und maximaler Auslenkung f r Rover 3000 ist eine periodische Ver formung des Objekts ebenso unwahrscheinlich da f r das adaptierte Objekt derartig hohe Verformungen nicht erwartet werden Allerdings ergibt die erkannte Periode die m gliche Schlussfolgerung dass es sich bei den periodischen Erscheinungen um einen Multipathef fekt auf die GPS Messungen der drei Empf nger handelt Der Einfluss von Multipath beruht auf der Reflektion der GPS Satellitensignale an umge benden Oberfl chen und dadurch bedingt einer verf lschten Berechnung der Pseudostre cke zwischen Empf nger und Satelliten Die Effekte k nnen zwar durch Hardwareeinrich tungen an der Antenne wie den speziellen Chokering Unterbau bei den hoch genauen geod tischen Antennen Softwareeinstellungen zur niedrigsten Elevation empfangener Satelliten in der Empf ngerkonfiguration und besondere Rechenalgorithmen der internen Firmware wie die Multipath Mitigation bei den geod tischen NovAtel Empf ngern 81 sowie die geeignete Wahl des Aufbaupunktes der Antenne minimiert aber nie ganz ausge schlossen werden Multipatheffekte beeinflussen die GPS Ergebnisse nicht stochastisch sondern systematisch und k nnen daher zu falschen Interpretationen von scheinbaren Ob jektbewegungen f hren Seite 122 GeoSN UniBw Kapitel 7
123. en ergab sich ein Stromverbrauch von 330 Watt Stunden oder 13 75 Watt Stunde Gem Handb chern haben die eingesetzten Bauteile maximale Strom verbr uche von a MSS VIA max 0 8 A bei 12 V 9 6 Watt Stunde b Edimax Switch max 0 5 A bei 12 V 6 Watt Stunde c Workgroup Bridge max 0 8 A bei 5 V 4 Watt Stunde Aus dieser Summe ergibt sich beim Maximalverbrauch von 29 2 Watt Stunde Daraus l sst sich schlussfolgern dass der Maximalverbrauch zwar nicht erreicht wurde aber der Stromverbrauch f r einen derartigen Sensorknoten trotzdem zwischen 10 und 30 Watt Stunde angesetzt werden muss Diese Verbrauchsgr e ist bei der Planung von Fest strom am Aufbaupunkt eines Sensorknoten zu ber cksichtigen und bietet Entscheidungs hilfen f r die Knotenversorgung mit Solarenergie 7 1 3 Test zur Stromversorgung mit Solarenergie Um den Anforderungen an autarke Sensorknoten im GeoSN zu entsprechen war es not wendig Sensorknoten auch ohne Feststromanschluss zu konzipieren Um die lang anhal tende Funktionsbereitschaft eines derartigen Knotens sicherzustellen die in einem geod tischen berwachungssystem zwingend erforderlich ist war ein reiner Batteriebetrieb von vorne herein ausgeschlossen Somit musste eine Nachladung mit Hilfe von Solarenergie untersucht werden Eine Stromversorgung mit Windenergie ist zurzeit im Vergleich zur Nutzung von Solarenergie noch sehr kostenintensiv und wurde deshalb nicht n her ver tieft 4 COTS Comm
124. en gleichen Effekt hat wie 4 Datenbits mit dem Wert 1 72 Die Adressierung eines seriellen Kommunikationspartners findet allein hardware technisch ber die Wahl der genutzten seriellen Schnittstelle des so genannten COM Ports satt Dieser Aspekt der seriellen Kommunikation f hrt dazu dass in der Regel nur zwei Teilnehmer pro Verbindung vorgesehen sind Ein typischer PC besitzt zwei interne COM Ports die bei einem Desktop PC beide als Kabelbuchsen ausgepr gt sind 71 Ein Laptop bietet zumeist nur eine Kabelbuchse w hrend der zweite COM Port mitunter als Infrarotschnittstelle ausgepr gt ist bei der die Daten bertragung nicht durch drahtgebun dene Stromsignale sondern durch Lichtimpulse im Infrarotbereich durchgef hrt wird sie he Kapitel 4 3 3 2 ber PCI Steckkarten und USB Erweiterungen kann die Anzahl der seriellen Schnittstellen weiter erh ht werden Allerdings unterst tzt Windows XP durch die hardwaretechnische Trennung der einzelnen Schnittstellen und damit der Zuweisung von Systemressourcen nur maximal 255 COM Anschl sse 86 siehe Abbildung 17 Seite 63 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Zentralstation OS 1 Applikation COM COM COM Port 1 Port 2 Portn n lt 255 Port Applikation Sensor Knoten 2 OS3 Applikation Applikation Sensor Knoten n OS n 1 Sensor Knoten 1 Os 2 Abbildung 17 bertragungswege im GeoSN bei serieller Kommunikation Eine s
125. en im Bauwesen DVW Schriftenreihe Band 46 Weimar Deutschland 2004 27 Sippel K Modern Monitoring System Software Development 10 FIG International Symposium on Deformation Measurements Orange USA M rz 2001 Seite 170 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 28 Van Cranenbroeck J Troyer L Leica GPS Spider for Deformation Monitoring Leica Geosystems AG Herbrugg Schweiz 2003 29 _Produktbeschreibung 3D Tracker Software Pinnacle Technologies Inc Delft Nieder lande 2006 http www pinntech com 30 Produktbeschreibung TRIMBLE GPSNet Software Technical Notes Trimble GmbH Runheim Deutschland M rz 2006 www trimble com 31 Produktbeschreibung Terrain Remote Monitoring System DANA 2000 Furuno Elec tric CO LTD Nishinomiya City Japan September 2002 http www furuno co jp en index html 32 J ger R K lber S Benutzerhandbuch GOCA Software Version 3 2 Fachhochschule Karlsruhe Hochschule f r Technik Karlsruhe Deutschland Juli 2004 33 Hartinger H Development of a Continuous Deformation Monitoring System using GPS Ingenieurgeod sie TU Graz Graz sterreich Juni 2001 34 Foppe K Permanent Automatic Monitoring of historical ecclesiastical architecture 12 FIG Symposium Baden Schweiz Mai 2006 35 Hein G W Riedl B Real Time Monitoring of Highway Bridges using DREAMS 11 FIG Symposium on Deformation Measurements Santori Griechenland Mai 2003 36 Informationsbro
126. en im GeoSN UniBw bisher nicht umgesetzt Seite 104 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Analyse des Dateninhalts der Messdateien Vor allem folgende Vorgaben sind f r die Nutzung im GeoSN UniBw zu setzen a Statischer oder kinematischer Auswertung b Prozessierungsrichtung c Umfang der Ausgaben z B Kovarianzinformationen der Prozessierung d Prozessierungsintervall i d R 15 Sekunden f r statische GPS Messungen e Elevationsmaske Die Inhalte der Konfigurationsdatei werden im ASCII Format gespeichert und sind mit einem Texteditor ver nderbar Nach einer Prozessierung k nnen die Ergebnisse in ver schiedenen vorgegebenen Formen z B als NMEA Nachrichten oder einfache Textdateien mit Positionsinformationen ggf auch in umgerechneten Abbildungskoordinaten im so genannten Export Wizard ausgegeben werden Der Export Wizard erm glicht auch die Definition eigener Export Formate Auf diese Art kann im Hinblick auf die weitere Aus wertung ein Daten Format hnlich einem GOCA GKA String 32 erzeugt werden 6 2 3 2 GrafNav in LabVIEW Die Umformatierung von GPS Rohdaten in das gpb Format und die Prozessierung einer Basislinie k nnen ber Aufruf der Module WPConvert bzw GrafNav Exe bei gleichzei tiger bergabe von Ausf hrungsargumenten ohne zus tzliche Nutzerinteraktion ausge f hrt werden 109 Somit ist die Forderung nach dem Aufruf des Programms aus dem Logging Pro
127. en mehrere DCE DCE Verbindungen und somit auch zus tzliche Schnittstellen auftreten wenn im Zuge des bertragungsweges der Tr ger wechselt wie es besonders in Netzwerkstrukturen beim Wechsel zwischen Glasfaser und Drahtleitungen der Fall ist Web 12 Im Zuge des bertragungsweges werden die Daten X durch verschiedene u ere Einfl sse zu den Daten Y ver ndert siehe Abbildung 10 Die Schnittstellen HW SS 3 und SW SS 2 an der Datensenke entsprechen in ihren Aufga ben ihren Gegenst cken an der Datenquelle und sind im Wesentlichen f r die R ckwand lung der Nachrichten in die Form der Ausgangsdaten verantwortlich Bei jeder bergabe der Daten ber eine Schnittstelle werden sie ver ndert entweder ge wollt durch eine Umformatierung oder Modulation oder ungewollt durch u ere Einfl sse wie der Rauscheinfluss im Medium der HW SS 2 Diese Ver nderungen d rfen die Daten dabei allerdings nicht verf lschen damit die bergabe ber die virtuelle Softwareschnitt stelle V SW SS zwischen den Applikationen der Quelle und Senke erhalten bleibt 4 3 2 Kommunikationsprotokolle Das Protokoll einer Kommunikationsverbindung ist gem 70 eine Vereinbarung ber Aufbau berwachung und Abbau der Verbindung Es kann nur eine Kommunikation zwischen Elementen aufgebaut werden die identische Protokolle verwenden siehe Codie rung in Kapitel 4 2 F r die technische Realisierung der Daten bertragung zwischen DCESs ist insbesondere das
128. en zwei OS In der Schichtkonzeption nimmt eine Schicht Auftr ge von ihrer bergeordneten Schicht entgegen und stellt wiederum Forderungen an ihre untergeordnete Schicht Das angespro chene Netzwerk kann auch eine serielle Verbindung zwischen nur zwei Teilnehmern sein Die unteren drei Schichten sind gem 72 f r die Verbindung des OS zum Netzwerk verantwortlich w hrend die oberen drei Schichten die logische Verbindung zwischen den kommunizierenden Anwendungen auf den beiden OS sicherstellen und die Transport schicht diese beiden Teilst cke miteinander verbindet ber dem Schichtmodell liegt die Applikation die den Datentransfer initiiert Im Falle des GeoSN w ren diese Applikation beispielsweise die Messwerterfassung an der Zentralsta tion und die Messwertgenerierung am Sensorknoten Die zu bertragenden Daten in einem GeoSN sind dabei zum einen Steuerbefehle und zum anderen die Messwerte Nachfolgend werden die Standardl sungen zur Daten bertragung betrachtet die einem Nutzer in einem PC angeboten werden Diese wurden unter Ber cksichtigung der OSI Norm entwickelt und garantieren in den meisten F llen eine fehlerlose Daten bertragung unter der Voraussetzung dass die vorgegebenen Spezifikationen vom Anwender eingehal ten werden Diese Standardl sungen sind etwa die einfache kabelgebundene serielle Kom munikation mittels RS232 Signalen ber ein Terminalprogramm zwischen einem Rechner Seite 48 GeoSN UniBw Kapitel 4
129. enabgabe erst auf Anfrage durchgef hrt werden soll um dadurch Energie bei der Kommunikation zu sparen Seite 6 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke Po vr a Eee We ne ee nr Kommu nikation e e Zentralstation Abbildung 1 Schematische drahtlose Netzwerkstruktur der Sensorknoten Technische Forderungen an die Knoten sind insbesondere eine miniaturisierte Bauweise die in Zukunft auf wenige Kubikmillimeter begrenzt sein soll Smart Dust 3 und ein sehr sparsamer Energieverbrauch um auch bei reinem Batteriebetrieb m glichst lange funktionsf hig zu sein Weiterhin ist gefordert dass die Knoten robust gegen ber u eren Einfl ssen sind da sie auch oder sogar insbesondere unter widrigen Bedingungen einge setzt werden m ssen Die Rechnerkomponente eines Sensorknotens ist in der Regel nicht als PC ohne Eingabe ger te und Monitor zu verstehen sondern viel mehr als speziell angefertigte Rechnerplati ne die dann lediglich aus einem einfachen Controller z B 4 und einem EEPROM und somit nur aus zwei Rechnerbausteinen besteht was eine Gr e von wenigen mm ergibt Die F higkeiten des Controllers als A D oder Schnittstellen Wandler machen den An schluss verschiedenster elektrischer Ger te und Sensoren m glich Durch die Kombinati on mit dem EEPROM k nnen vorprogrammierte Aufgaben des Controllers gespeichert werden Diese Programmierungen enthalten neben den Funktionen zur Steuerung angeschlossene
130. enes Netzwerk an die Zentralstation weiter Zusammengefasst ergeben sich folgende Anforderungen an die Sensorknoten a F higkeit des Knotens zum selbst ndigen Arbeiten ohne Interaktion seitens eines Nutzers mit der F higkeit zur Signalverarbeitung der Messdaten angeschlossener Sensoren b drahtlose Kommunikation c geringe Kosten m glichst nur wenige Euro pro Knoten um den massenhaften Einsatz mit akzeptablen Kosten zu erm glichen d miniaturisierte Bauweise da die Knoten selbst die zu untersuchenden Ph nomene nicht beeinflussen sollen e robuste Bauweise da sie zur Masse auch unter schwierigen u eren Bedingungen eingesetzt werden sollen Seite 9 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke f autarke Stromversorgung die zumeist nur begrenzt ber eine Batterie teilweise aber auch durch Solarenergie wiederaufladbar konzipiert ist g Sicherheit und Funktionsf higkeit des kompletten Netzes auch bei Ausfall einzel ner Knoten oder Kommunikationsstrecken bzw bei Erweiterung des Systems 1 2 Anwendungsgebiete f r WSN Der zentrale technische Aspekt eines WSN ist die Datenerfassung mit Hilfe der Sensor knoten und die meisten Anwendungen k nnen einer der drei folgenden Kategorien zuge wiesen werden 1 Datenerfassung zum Ziel der Steuerung besonderer Aufgaben um einen Nutzer von bestimmten T tigkeiten zu entlasten 2 Datenerfassung mit dem Ziel der Bildung eines Modells um dem Nutzer zum bes seren Ver
131. ensoren ausgelegt da diese be z glich Ansteuerung Handling und Verarbeitung der Messwerte die h chsten Anforde rungen stellen Eine Einbindung von Tachymetern Nivellieren oder Loggingeinheiten geotechnischer Sensoren ist zusammen mit GPS Sensoren in einem Datenerfassungspro gramm m glich Dabei ist allerdings darauf zu achten dass f r die Tachymeter und Nivel liere nicht die eigentlich bei diesen Instrumenten geforderte Half Duplex Kommunikation siehe Abbildung 14 angewendet wird da eine Nutzung des Polling Warten auf Ant wort im Zuge der im Kapitel 6 angesprochenen Problematik minimaler Wartezeiten pro Sensor und permanenter Datenmitf hrung nicht m glich ist Vielmehr muss auch f r diese Sensoren die st ndige Datenabfrage Kombination von Nachrichtenteilst cken und an schlie ende Nachrichtenauswertung genutzt werden Im Vergleich zu GPS Sensoren ergibt sich dann allein der Unterschied dass von der Zent ralstation zun chst entsprechende Messbefehle an diese Sensoren bermittelt werden m s sen W hrend GPS Nachrichten von Sensorknoten lediglich ber Checksummen auf Kon sistenz berpr ft und f r die Datenaufbereitung abgespeichert werden erfordern Messun gen von Tachymetern und Nivellieren eine unmittelbare Auswertung So sind in den Ant worten auf einen Messbefehl bereits unmittelbar etwaige Fehlermeldungen enthalten sind siehe Tabelle 7 Returncodes bei GeoCOM Diese Returncodes weisen etwa auf Fehler beim An
132. ensornetzwerke GISBusiness 03 2007 Heidelberg Deutschland M rz 2007 77 Produktbeschreibung GeoCOM Reference Manual TPS1100 Version 1 07 Leica Geosystems Heerbrugg Schweiz 2002 www leica geosystems com 78 Produktbeschreibung GSI Online for Leica TPS and DNA Leica Geosystems Heer brugg Schweiz November 2003 www leica geosystems com 79 Produktbeschreibung INTCTL Zeiss Elta On Board Interpreter ZSP Geod tische Systeme GmbH Jena Deutschland 2002 80 Produktbeschreibung StarView User Manual Rev 4 NovAtel Inc Canada 16 Mai 2005 www NovAtel com 81 Produktbeschreibung MiLLenium GPSCard Software Version 4 501 NovAtel Inc Canada 1999 www NovAtel com 82 Produktbeschreibung Outside World Interface OWT Leica Geosystems Herbrugg Schweiz 2003 www leica geosystems com 83 Produktbeschreibung Leica Binary 2 LB2 Leica Geosystems Herbrugg Schweiz 2002 www leica geosystems com 84 Produktbeschreibung GPS 35 LP TracPak Garmin Olathe USA M rz 2000 www garmin com 85 Produktbeschreibung GPS Receiver GR 213 User s Guide Holux Technology Inc Hsinchu City Taiwan 17 M rz 2005 www holux com tw 86 Microsoft Ger temanager unter Windows XP Professional Erweiterte Einstellungen einer seriellen Schnittstelle Microsoft 2002 www microsoft com 87 Mildenberger O bertragungstechnik Vieweg Verlag Deutschland 1997 88 Produktbeschreibung Satelline 3AS Han
133. er Besch digung des verlegten Kabels zum Beispiel durch Kabelbruch oder Durchtrennung ist es mitunter sehr schwierig den Ort der Besch digung genau zu lokali sieren Allerdings gibt es diesbez glich auch M glichkeiten der Identifikation ber Signal reflexion an der Schadstelle mit Hilfe von TDR oder im Falle einer Netzstruktur verleg ter Kabel Eingrenzungen durch funktionierende Teilst cke innerhalb des Netzwerks Bei Abw gung von Vor und Nachteilen leitungsgebundener Kommunikation ergibt sich die Schlussfolgerung dass sie immer soweit wie m glich dort eingesetzt werden sollte wo nur kurze Strecken zu berbr cken sind oder ohnehin zwingend Stromleitungen zur Versorgung von Kommunikationsteilnehmern verlegt werden m ssen 4 3 3 2 Drahtlose Daten bertragung Die Verbindung zwischen dem DCE das die drahtlose bertragung realisiert und dem DTE Rechner bzw Sensor ist immer eine drahtgebundene serielle oder eine Ethernet Ver bindung siehe Abbildung 16 HW SS1 so dass die Signalverbreitung zwischen den bei den DCEs h ufig als reine Verl ngerung der Anschlussverbindung angesehen werden kann obwohl wesentlich andere Techniken zum Einsatz kommen Drahtlose Daten ber tragung findet immer auf Basis elektromagnetischer Wellen oder Lichtimpulsen statt Die Nutzung von Lichtimpulsen ist dabei in der Regel das Infrarot Diese Form wird hier nicht weiter vertieft da die Technik schwierig zu realisieren und die besondere Forderung e
134. er K Kasten O Mattern F Middleware Challenges for Wireless Sensor Net works Mobile Computing and Communications Review Volume 6 Number 2 2002 120 Hansen M Embedded Center for Embedded Networked Sensing 2005 Seite 176 GeoSN UniBw Web Literaturverzeichnis Web Literaturverzeichnis Web 1 http lexikon donx de action details amp show Sensornetz amp anzeige pkv Zugriff 04 10 2005 Web 2 http smarthome unibw muenchen de de Zugriff 04 10 2005 Web 3 http www dwd de de wir Interessantes Datengewinnung Dgcontent htm Dwdmessne tz Zugriff 23 04 2007 Web 4 http lexikon meyers de meyers Analyse Zugriff 12 10 2007 Web 5 _ http lexikon meyers de meyers Elastizit C3 A4t Zugriff 12 10 2007 Web 6 http sensorwebs jpl nasa gov Zugriff 30 03 2007 Web 7 http www kowoma de gps zusatzerklaerungen NMEA htm Zugriff 23 01 2006 Web 8 http www NovAtel com products oem4g2 htm Zugriff 25 04 2007 Web 9 http www NovAtel com products superstar htm Zugriff 25 04 2007 Web 10 http www wetterstationen info Zugriff 21 04 2006 Web 11 http www vcenter net product nc1000 html Zugriff 21 12 2006 Web 12 http www heineshof de lan lan html Zugriff 20 02 2006 Web 13 _ http lexikon meyers de meyers USB Zugriff 12 10 2007 Web 14 http www techzoom net mac Zugriff 12 10 2007 Web 15 http www netzmafia de skripten netze Zugr
135. er Programmstruktur des GeoSN UniBw 6 2 4 Datenauswertung Das Auswerteprogramm GOCA das unabh ngig vom eigentlichen Logging Programm operiert kann parallel auf dem Zentralstations Rechner implementiert werden oder auf einem zweiten Rechner laufen der lediglich mit der Zentralstation ber ein Netzlaufwerk verbunden sein muss Die beiden Rechner m ssen dazu ber ein gemeinsames Netzwerk miteinander verbunden sein um den Datenaustausch zu gew hrleisten Im Programm GOCA muss nur der entsprechende Speicherort der GKA Dateien in der Projektinitialisie rung vorgegeben werden Es ist dabei zu beachten dass der permanente Zugriff auf die GOCA Daten zwar gew hr leistet und die permanente Datenaufzeichnung und analyse des LabVIEW Programms nicht behindert wird was die Implementierung auf einem zweiten Rechner sinnvoll macht Bei der Nutzung von GOCA wird der parallele Zugriff auf die GKA Dateien dadurch er reicht dass das Programm auf die von LabVIEW angelegten GKA Dateien nur einen le senden Zugriff aus bt Das Programm GOCA wertet den Zeitpunkt der Beobachtungen zum einen ber die GPS Wochensekunde und zum anderen ber den Namen der GKA Datei aus Der Name der GKA Datei wird dazu aus Jahr Monat und Tag einer Messung aufgebaut Um diese Be namung von GKA Dateien bei einem Tageswechsel automatisch vorzunehmen wird wie in Abbildung 32 dargestellt permanent die Systemzeit des Steuerrechners in LabVIEW berwacht und beim Tageswechse
136. er Signalverbreitung des ana logen Tr gers durch das Medium hindurch Hierbei kommen physikalische Gesetze zum Tragen die die Eigenschaften verschiedener Signal Medium Kombinationen definieren Einige Kombinationen sind dabei von vorneherein ausgeschlossen etwa die Nutzung von Schallsignalen im Vakuum oder Lichtsignalen in einem festen lichtundurchl ssigen Stoff Die Signal Medium Kombination sollte mehrere Vorgaben erf llen a geringe D mpfung des Signals durch das Medium 1 hohe Sendereichweite 2 geringe Sendeleistung b hohe Geschwindigkeit des Signals im Medium c hohe Daten bertragungsrate d geringe Verf lschung des Signals durch Rauschen und oder St rsignale e geringe hardwaretechnische Anforderungen bez glich Erzeugung und Emp fang des Signals besonders bei drahtloser bertragung Die Abstimmung von Modulator und Demodulator betrifft weniger die technisch physi kalischen Aspekte als die softwaregesteuerten Modulationstechniken die etwa ber Auto korrelationsfunktionen die modulierten bin ren Daten wieder vom analogem Signal tren nen In diesen Bereich fallen auch die mathematischen Umrechnungen zwischen Zeit und Frequenzraum mittels Fourier und Laplace Transformationen sowie Filterungstechniken zur Reduzierung von Rauscheinfl ssen bzw Signalverst rkung Diese Techniken werden vor allem in der Hochfrequenztechnik verwendet Sie f hren unter anderem zu der Fest stellung dass bei der Nutzung eines vorgefer
137. er innova tiven Form der Mustererkennung bei der Messung mit Tachymetern verlangt auch zu k nftig Weiterentwicklungen bei der Datenaufbereitung und Tests f r die Datenauswer tung im GeoSN UniBw Seite 130 GeoSN UniBw Anlage 1 Anlage 1 GeoSN UniBw Testsystemkonstellation Quelle Georeferenziertes Luftbild Aufnahmedatum 14 07 2003 Bodenaufl sung 0 4 m Ma stab ca 1 3700 bereitgestellt durch LVA M nchen Pi Systemkonstellation siehe 7 2 1 3 nn Repeater Rechnex Referenz 1001 7 Seite 131 GeoSN UniBw Anlage 2 Anlage 2 Untersuchung zu WLAN Verbindungen Eine fehlerhafte Verbindung auf einer WLAN Strecke konnte im Testaufbau zum GeoSN UniBw zwischen dem Sensorknoten 2 Repeater Rechner und dem Sensorknoten 4 unter sucht werden Im Luftbild das im Jahr 2003 aufgenommen wurde siehe Anlage 1 be steht noch eine direkte Sichtverbindung zwischen Sensorknoten 2 und dem gew hlten Aufstellungsort des Sensorknoten 4 Zum Zeitpunkt der Implementierung des Systems wurde allerdings bereits ein neues Wohngeb ude etwa in der Mitte der Strecke zwischen den beiden Sensorknoten errichtet im Luftbild rot verdeutlicht welches die direkte Sichtverbindung unterbindet Die WLAN Antenne des Repeater Rechners ist in einer H he von ca 5 m angebracht Eine h here Anbringung war durch eine begrenzte Kabell nge und eine fehlende Adaptionsm glichkeit nicht realisierbar Die Antenne stellt sich als eine Omni Antenne
138. er notwendig Der Verbrauch beschr nkt sich zumeist auf wenige Milliwatt Eine dritte Auspr gungsform eines GPS Empf ngers ist der einfache GPS Chip Diese bietet zwar die umfangreichsten M glichkeiten einer Integration in bestehende WSN Sys teme wird hier aber aufgrund der dazu notwendigen elektrotechnischen Arbeiten zur ei genen Erstellung von Rechner Boards nicht betrachtet 3 2 1 DGPS Eine Nutzung als Element eines GeoSN stellt besondere Anforderungen an einen GPS Empf nger die nicht ohne eine spezielle Konstellation von Sensor und Kommunikations einrichtung erf llt werden k nnen Wie bereits erl utert werden die geometrischen Infor mationen im GeoSN mit Genauigkeiten von wenigen Zentimetern oder sogar Millimetern ben tigt Da die SPP eines GPS Empf ngers also die Positionierung rein aus den Satelli tenbeobachtungen nur Genauigkeiten im Meter Bereich liefern kann muss DGPS mit L sung der Tr gerphasenmehrdeutigkeit genutzt werden Diese Berechnung kann dabei entweder zeitnah zur GPS Messung am Rover unter der Nutzung des Real Time Kinema tic RTK Prinzips oder im Nachgang der Messung beim Post Processing PP geschehen 10 RX und TX Leitung Empfangs und Sendeleitung einer Verbindung teilweise auch als RD und TD receive data und transmit data bezeichnet Seite 36 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Zur Nutzung des DGPS Prinzips unter L sung der Tr gerphasenmehrdeutigkeiten sind mehrere
139. er untersuchten Datenfunkger te im System GeoSN UniBw 85 Tabelle 10 Spezifikationen von untersuchten COM Servern im GeoSN UniBw 87 Tabelle 11 WLAN Ger te der Firma Cisco Systems im GeoSN UniBw 89 Tabelle 12 Ergebnisse der Rover in Bezug auf Referenz 1000 cnussenenensenneennn 118 Tabelle 13 Ergebnisse der Rover in Bezug auf Referenz 1001 usenenenennn 119 Tabelle 14 Mittlere Koordinatenwerte der Rover ucesssssenseensenssensnesnnnnnennnensennnnnnn 119 Tabelle 15 Ergebnisse der Rover in GOCA cnnnnssenssnesnsnnnnnsnensnnnnne nennen 121 Tabelle 16 Punktbewegungen des Rovers 5000 cssessssnsssensssnnnenssnnsnennnnnnnennnn en 127 Tabelle 17 Berechnung der maximalen Geb udeh he f r ungest rte bertragung 134 Tabelle 18 Verwendete Sensoren und Aktoren des Kommunikationstests 150 Tabelle 19 Kommunikationsmittel des Kommunikationstests ceeeneennn 152 Tabelle 20 gen herte Kosten f r Hardware des GeoSN UniBw eeneneenene 161 Seite 168 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis 1 Mattern F R mer K Drahtlose Sensornetze Institut f r Pervasive Computing ETH Z rich Z rich Schweiz 2003 2 Voigt T Dunkels A Alonso J Ritter H Schiller J Solar aware Clustering in Wire less Sensor Networks 9th International IEEE Symposium on Computers and Commu nications ISCC Al
140. ercial of the shelf Industrielle Standards ohne besondere Nutzeranpassungen Seite 110 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Ein auf Solarversorgung ausgelegter Sensorknoten siehe Abbildung 27 ist mit folgenden Verbrauchern ausgestattet a ein WLAN MSS VIA COM Server mit einem Maximalverbrauch von 9 6 Watt Stunde b eine GPS SMART ANTENNA mit einem Maximalverbrauch von 1 8 Watt Stunde c ein Solarladeregler SCD 10 einem Maximalverbrauch von 0 6 Watt Stunde Summiert ergibt sich somit ein Maximalverbrauch dieses Knotens von 12 Watt Stunde Aufgrund dieses hohen Stromverbrauchs waren die Solarmodule entsprechend zu dimen sionieren Die Durchf hrung des praktischen Tests ist in Anlage 4 erl utert Der Test ergab dass f r eine permanente Stromversorgung Solarmodule genutzt werden m ssen die mindestens eine Leistung von 50 Watt erbringen um auch an Tagen mit ge ringer Sonneneinstrahlung eine ausreichende Versorgung zu gew hrleisten Aufgrund des hohen Verbrauchs sind auch die zugeh rigen Solar Pufferbatterien in aus reichender Gr e zu dimensionieren um den Ausfall der Nachladung ber eine m glichst lange Zeit berbr cken zu k nnen Es ist eine Batteriekapazit t notwendig die eine Ver sorgung des Knotens ohne Nachladung ber mehrere Tage sicherstellen kann ohne sich dabei komplett zu entladen 7 1 4 Test zum Datenhandling ber WLAN und COM Server Insbesondere bei autarken Sensorkn
141. erden Gleichzeitig hat der Massenmarkt f r diese Ger te insbesondere aufgrund ihres Einsatzes im Bereich der Navigation von Landfahrzeugen die Kosten f r einen einfachen GPS Empf nger inzwischen erheblich reduziert Aus diesem Grund werden sie auch als Be standteil eines nicht auf ingenieurgeod tische berwachungen ausgelegten WSN immer interessanter um eine Positionsbestimmung von Sensorknoten wie zu Beginn des Kapi tels 2 angesprochen sicherzustellen F higkeiten zu einem sparsamen Energieverbrauch und bereits vorprogrammierte Ruhephasen sowie die starke Miniaturisierung der GPS Empf nger auf Chipgr e erf llen auch die sonstigen Anforderungen an Elemente eines Sensorknotens im WSN Allein die freie Himmelssicht schr nkt den Aspekt der ungeplan ten Sensorausbringung eines WSN ein Eine hoch genaue Positionsbestimmung wie sie im GeoSN gefordert wird ist allerdings nur mit Hilfe von DGPS m glich siehe Kapitel 3 2 1 GPS Empf nger stellen sich einem Nutzer immer in zwei unterschiedlichen Formen dar Die eine Gruppe von Empf ngern ist f r einen manuellen Betrieb ohne zus tzliche Hard ware ausgelegt und soll dem Anwender die GPS Positionsbestimmung unmittelbar zur Verf gung stellen Zu diesem Zweck sind diese Ger te mit einem Display zur Anzeige der Messungen und einem Bedienfeld f r manuelle Eingaben ausgelegt Diese Ger te besitzen zwar Schnittstellen an die sie insbesondere NMEA Nachrichten ausgeben und an denen
142. erdings auf Messoperationen sowie einige Einstellm glichkeiten von Systemparametern begrenzt und sieht in der Regel keine M glichkeit des Ansprechens der Servos eines Motorisierten Tachymeters vor so dass er f r tachymetrische berwachungsmessungen nicht in Frage kommt Dieser Befehlssatz findet allerdings bei den Digitalnivellieren der Firma Leica Anwendung da diese keine firmenseitig vorgesehene Motorisierung besitzen Seite 83 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Der Zeiss S10 ben tigt zur externen Steuerung einen speziellen On Board Interpreter der f r dieses Ger t nicht standardm ig implementiert ist jedoch kann dazu das On Board Programm INTCL siehe Tabelle 7 genutzt werden Auch der S10 aktiviert sich selbst n dig bei Empfang eines Befehls auf der seriellen Schnittstelle Allerdings muss bei diesem Ger t der automatische Wechsel in das INCTL Programm bei Aktivierung vorher manuell eingestellt werden Sobald Tachymeter in den Online Modus gewechselt haben sind sie f r die entsprechenden Befehle zug nglich 5 2 4 Geotechnische Sensoren Die Einbindung analoger geotechnischer Sensoren wird nur theoretisch betrachtet Die Integration derartiger Sensoren ist wie bereits in 3 3 dargestellt nur ber einen entspre chenden A D Wandler etwa in Form der geotechnischen Loggingeinheit m glich Diese Ger te sind standardm ig auf externe Steuerung ausgelegt so dass bez glich der Anbin dung an e
143. erielle Kommunikation ben tigt neben der Schnittstellenvorgabe und der Vorgabe zur Parit t noch weitere Spezifikationen zur Daten bertragung a bertragungsgeschwindigkeit b Datenbits c Stoppbits d Nutzung der Kontrollleitungen einer seriellen Kabelverbindung e zus tzliche softwaretechnische Verbindungskontrolle S mtliche Einstellungen m ssen sich an beiden Enden der Schnittstelle entsprechen da die Daten ansonsten verf lscht bernommen werden k nnen bzw die Kommunikation nicht aufgebaut werden kann Zus tzlich sind die bertragungsgeschwindigkeit und die Kontrollmechanismen ber die Hardware dem bertragungsmedium anzupassen siehe Kapitel 4 3 3 4 3 2 2 Daten bertragung im Ethernet LAN Anders als bei der seriellen Kommunikation ist bei netzwerkbasierter Daten bertragung die Nutzung einer Datenleitung durch mehrere Teilnehmer ohne entsprechende bertra gungsspezifikationen m glich Die Grundlage der Vorgehensweise in der netzwerkbasierten Kommunikation ist eine Er h hung der Bedeutung der Softwareschnittstelle 1 durch optimale Adaption des OSI Modells so dass die Applikationen keinerlei Einfluss mehr auf die hardwaretechnische Zuordnung der Verbindung besitzen Jeder Teilnehmer in einem Netzwerk besitzt zwar Seite 64 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN auch hier eine genau definierte Hardware Information z B in Form der MAC Adresse der Ethernet Hardware beispielsw
144. erte Kosten f r Hardware des GeoSN UniBw Eine Konstellation aus Zentralstation und 2 Sensorknoten ergibt somit Gesamtkosten in der Anschaffung von ca 10 000 was f r ein komplettes berwachungssystem die Be zeichnung Low Cost rechtfertigt da etwa bei tachymetrischen berwachungssystemen oder Systemen mit geod tischen High End GPS Empf ngern bereits ein einzelner Sensor zwischen 10 000 und 20 000 kosten kann Bei den Hardwarekosten eines Sensorknotens f r ein GeoSN l sst sich erkennten dass es nahezu eine gleichm ige Aufteilung der Kos ten auf die drei Bestandteile Sensorik Kommunikationsausstattung und Stromversorgung siehe Abbildung 6 gibt Die Rechnerkomponente ist bei diesen Sensorknoten in der Hardware der Sensor und Kommunikationskomponente integriert siehe Kapitel 3 und 4 Seite 161 GeoSN UniBw Anlage 10 Anlage 10 Glossar f r Kommunikationsbegriffe Begriff Abk rzung Erl uterung Beacon Beacon Sensorknoten in einem WSN der ber spezielle Hardware Sensorknoten verf gt und besondere Aufgaben bez glich der Kommuni kation z B B ndelung von Messungen bernimmt Bits per Second Bps Kennzeichnung aus der Daten bertragungstechnik f r die Anzahl and Bits die pro Zeiteinheit hier eine Sekunde bertragen werden k nnen MBps bedeutet MegaBits 1000 Bits pro Sekunde Checksumme chksum Generierter Anteil einer zu bertragenen Nachricht in dem der gesamte I
145. es WSN eine bessere Mo dellierbarkeit der teilweise sehr komplexen physikalischen Vorg nge durch die gro e An zahl von Messstationen im berwachten Messgebiet 1 2 3 WSN als berwachungssysteme Eins tze eines WSN als berwachungssystem k nnen etwa folgende Bereiche umfassen a Temperaturmessstellen zur Waldbrandvorsorge b Durchflusssensoren in Flussd mmen insbesondere auch in behelfsm igen Sand sackbauten bei Hochwassersituationen c milit rische Anwendungen und Schutz vor Terrorismus d Geb ude berwachungen in tektonisch aktiven Gebieten Insbesondere die ersten drei Einsatzm glichkeiten machen den massenhaften Einsatz von Sensoren deutlich um m glichst gro e und ggf schwer zug ngliche Gebiete l ckenlos abzudecken Beim Einsatz eines WSN als berwachungssystem ist das wesentliche Ziel der Datener fassung die Einordnung eines Ergebnisses in eine Zustandstabelle die wiederum ber ent sprechende Reaktionspl ne Warnungen an den Anwender ausgeben soll Das Thema WSN ist in Europa noch nicht sehr weit verbreitet in den USA gehen diesbe z glich die Ans tze schon sehr viel weiter was insbesondere der Punkt c in der obigen Aufz hlung verdeutlicht Im nationalen Technologieplan der USA 9 werden WSN zur Aufkl rung terroristischer Angriffe insbesondere auf Basis von ABC Waffen schon ex plizit angesprochen In der berlappung eines WSN f r berwachungsaufgaben und Modellbildung mit den bereits exis
146. estandteilen innerhalb des Knotens zumindest gedanklich weiterverfolgt wer den da auch hier die Einzelkomponenten verschiedene Aufgaben bernehmen m ssen die den anderen Bestandteilen nicht m glich sind Bei der Betrachtung der Sensorkomponente f r ein GeoSN steht vor allem die Generie rung der speziellen Form der Messwerte im Vordergrund Bei der Nutzung eines GeoSN geht es vor allem um die Erfassung von geometrischen Gr en mit hoher Genauigkeit Die Messungen ergeben sich in erster Linie als die Koordinaten der Messpunkte Selbst Messger te die nur relative Messungen durchf hren m ssen diese Information mit ent Seite 25 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN halten So ist auch die Neigung eines Inklinometers oder die L ngen nderung eines Exten someters nur in Verbindung mit ihrer Messposition nutzbar wenn daraus Schlussfolge rungen f r das adaptierte Objekt abgeleitet werden sollen Neben der Generierung des Messwertes sind auch Anforderung an dessen Aufl sung und Genauigkeit zu stellen In der Regel sind bei ingenieurgeod tischen berwachungsmes sungen Beobachtungen im Millimeterbereich notwendig um die Verformung und oder Starrk rperbewegung eines Objektes sinnvoll analysieren zu k nnen Gegebenenfalls muss auch die maximale Messfrequenz eines Sensors betrachtet werden falls neben der Feststellung der Amplitude einer Verformung Bewegung deren Geschwindigkeit und oder Frequenz aufgedeckt werden so
147. exandria USA Juni Juli 2004 3 Steel D Smart Dust ISRC Technology Briefing M rz 2005 4 Produktbeschreibung Mixed Signal Microcontroller Texas Instruments August 2003 Dallas USA http www ti com 5 Blumenthal J Low Power Positionierung in Sensornetzwerken 3 Summerschool Schloss Dagstuhl Deutschland 14 09 2004 6 Haenselmann T Praktische Informatik IV Universit t Mannheim Mannheim Deutschland September 2005 7 Wang Y Zhao Q Zheng D Energy Driven Adaptive Clustering Data Collection Protocol in Wireless Sensor Networks Proceeding of the 2004 International Confer ence on Intelligent Mechatronics and Automation Chengdu China August 2004 8 Produktbeschreibung Cisco Aironet Wireless LAN Client Adapters Installation and Configuration Guide for Windows Cisco Systems Inc Corporate Headquaters San Jose USA 2001 2002 www cisco com 9 Hicks and Associates Inc National Technology Plan for Emergency Response to Catastrophic Terrorism The National Memorial Institute for the Prevention of Terror ism and the United States Department of Homeland Security April 2004 10 Albowicz J Chen A Zhang L Recursive position estimation in sensor networks Proceedings of the International Conference on Network protocols ICNP 01 River side USA November 2001 11 Singler J Lokalisierung im WSN Seminararbeit f r Algorithmen in Sensornetzen Fakult t f r Informatik Universit t Karlsruhe
148. fte WSN Systeme zur Erfassung derartiger Beobachtungen heran gezogen werden k nnen Ziel und Umsetzung sind bei einem WSN und einer geod tischen berwachung grund s tzlich identisch In beiden Systemen wird das Ziel verfolgt ein Ph nomen mit Sensor beobachtungen zun chst zu diskretisieren und anschlie end aus diesen Beobachtungen Schlussfolgerungen zu ziehen die das Verst ndnis f r das Ph nomen verbessern sollen In beiden Ans tzen wird au erdem die Vorgehensweise angestrebt dass die Auswertung und Modellierung nicht auf Ebene der Datenerfassung geschieht sondern immer nachge ordnet auf einer zentralen Recheneinheit erfolgen muss So wird auch bei ingenieurgeod tischen berwachungsmessungen die Trennung der Datenerfassung mittels Sensorik die unmittelbar anschlie ende Signalvorverarbeitung der Sensordaten und die dann folgende Daten bertragung und Auswertung auf einem Zentralrechner prinzipiell wie in einem WSN durchgef hrt Da die geod tischen berwachungsmessungen schon in einer Zeit durchgef hrt wurden in der die technische Entwicklung noch keine automatischen Messmethoden und Daten bertragungen zulie war ihre Form in den Anf ngen noch auf manuelles Messen und Protokollieren in epochal angeordneten Kampagnen beschr nkt Erst mit der Einf hrung der digitalen Speichermedien und integrierter Rechnerkomponenten f r geod tische In strumente begann der digitale Datenfluss In modernen geod tischen Messger te
149. ftreten die nicht vom Nut zer zu beeinflussen sind Sie sind trotz ihrer robusten Bauweise f r Au endienstarbeiten anf llig gegen ber u eren Einfl ssen aufgrund ihrer optischen Messfunktion und kom plexen Mechanik und Elektronik Sie k nnen nicht bei zu starkem Regen oder Nebel ein gesetzt werden wenn hierbei die Sichtverbindung zum Zielpunkt unterbrochen wird Auch k nnen sie nicht ohne weitere Schutzeinrichtungen f r l ngere Zeit an einem Ort belassen werden Insbesondere Eisbildung die die automatischen Bewegungen behindert Seite 28 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN und Beschlagen des Objektivs f hren zum Verlust der Messf higkeit Auch m ssen Ger t und Zielpunkt zum Zeitpunkt der Messung stabil stehen da ansonsten die automatische Zielfindung nicht funktionsf hig ist Um auf diese Art von Ph nomenen im Verlauf der Messung sinnvoll reagieren zu k nnen sind umfangreiche Reaktionspl ne zu erstellen die nicht alle vom Tachymeter selbst ndig ausgef hrt werden k nnen Automatisches Messen ist somit bei Tachymetern eher mit einer Fernsteuerung von einem externen Rechner aus gleichzusetzen und das Ger t ist trotz seiner umfangreichen internen F higkeiten f r automatische Messaufgaben in der Regel auf Steuersignale von au erhalb angewiesen Diese Art der Steuerung stellt sich als das so genannte Polling dar Pol ling ist mit einer Frage Antwort oder Half Duplex Verbindung zwischen
150. g zum Amt f r Geoinformationswesen der Bundeswehr in Euskirchen Seite 179 GeoSN UniBw Dank Dank Ich danke meiner Familie f r die moralische und seelische Unterst tzung im Verlauf der Er stellung dieser Arbeit Weiterhin danke ich meinen Betreuern Herrn Professor Heunecke Herrn Professor Heister und Herrn Professor Wunderlich f r ihre Unterst tzung mit Fachwissen und die Bereitschaft zur Bewertung dieser Arbeit Au erdem danke ich allen meinen Kollegen des Instituts f r Geod sie f r geleistete Unter st tzungen und Denkanst e im Zuge der Entwicklung dieser Arbeit Insbesondere m chte ich dabei den Mitarbeiter des geod tischen Labors Herrn Liebl Herrn Kestel und Herrn Pongratz daf r danken dass Sie mich im Zuge der Erstellung der Arbeit immer wieder f r meine Untersuchungen mit Hard und Software versorgten Seite 180
151. gen an die Kommu nikation da entweder zwei v llig unabh ngige Kan le genutzt werden m ssen die beide nur Einwegkommunikation sicherstellen oder es wird nur ein Modul eingesetzt das die F higkeit zur Zweiwegkommunikation besitzt Dies beinhaltet dass die Kommunikations Einrichtung entweder aus zwei gew hnlichen Kan len bestehen muss oder ber ausrei chende Daten bertragungskapazit ten die M glichkeit bietet ber Multiplexing zwei lo gische Kan le zu generieren Im Falle der OS eines GeoSN tritt die Konstellation dass ein Sensor ohne entsprechenden Befehl st ndig Daten erzeugt aber gleichzeitig auf Befehle von au erhalb angewiesen ist bei einigen GPS Empf ngern auf Die GPS Empf nger generieren in der Regel nach einer entsprechenden Konfiguration permanent die notwendigen Daten sollen aber trotzdem auf externe Kommandos reagieren etwa wenn die Aufzeichnungsrate der Daten erh ht wer den soll oder zus tzliche Daten aufgezeichnet werden m ssen Seite 60 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Zusammengefasst ergibt sich dass alle drei bertragungsformen in einem GeoSN auftre ten k nnen Gleichzeitig beinhalten die unterschiedlichen bertragungsformen allerdings auch dass die untergeordneten F higkeiten immer mit enthalten sind so dass eine Sim plex Kommunikation auch f r ein Duplex Modul m glich ist 4 3 Daten bertragungstechnik Datenstationen oder DTEs sind gem 70 die Einr
152. ger vor seiner Installation entsprechend konfiguriert kann auf Steuerbefehle im Betrieb verzichtet werden Es ist somit lediglich eine Datenleitung notwendig auf der die Daten des Emp f ngers an die Zentralstation bertragen werden Zusammenfassend l sst sich beim Vergleich zwischen RTK und PP sagen dass beim RTK zwar eine nachgeordnete Datenaufbereitung der Sensormessungen auf ein Minimum be grenzt werden kann da sie bereits in der geforderten Genauigkeitsklasse vorliegen und dass die Ergebnisse im Allgemeinen schneller zur Verf gung stehen aber dass dies nur auf Kosten wesentlich umfangreicherer und teurerer Hardware zu bewerkstelligen ist Au erdem beinhalten Prozessierungsergebnisse von PP grunds tzlich umfangreichere Infor mationen insbesondere zu Genauigkeiten der Berechnungen 41 da die Ergebnisse nicht auf einfache NMEA Nachrichten begrenzt wurden In beiden Methoden muss allerdings insbesondere der Kommunikation besondere Auf merksamkeit zugewiesen werden da entweder mehrere Leitungen oder hohe bertra gungsraten zwingend erforderlich sind Da die Nutzung von GPS Empf ngern als Elemen te eines Sensorknotens somit die h chsten Anforderungen an die Kommunikation bez g lich hoher Datenmengen und paralleler Daten bertragung auf der Sende und Empfangs Leitung eines Datenkanals stellt m ssen sie in den sp teren Betrachtungen zur Kommu nikation den Ma stab angeben 3 3 Geeotechnische Sensorik Geotechnische Se
153. gers erlauben die Einordnung in den Bereich der Low Cost Ger te Die RTK und GLONASS Optionen des Ger tes wurden im Zuge dieser Arbeit nicht untersucht Eine Freischaltung der RTK Option erh ht den Preis eines Empf ngers wie im Kapitel 3 2 2 angesprochen um das 2 bis 3 fache Als weitere Low Cost Empf nger mit der F higkeit zur Tr gerphasenmessung wurden neben der SMART ANTENNA auch einige OEM Boards betrachtet die zun chst teilwei se durch eigene elektronische Arbeiten mit standardisierten D Sub 9 RS232 Steckern und Stromanschl ssen verbunden und in entsprechenden Schutzk sten verbaut werden muss ten Zum Einsatz kamen hierbei ein zus tzliches ALLSTAR Board Boards der Firma u blox mit SIRF I und SIRF II Chips 98 99 sowie 25LP Boards der Firma Garmin 100 Die Vorbereitung dieser Boards ben tigt zus tzliche elektronische Bauteile insbesondere Stromwandler und TTL RS232 Umsetzer Sie sind aber trotzdem wesentlich kosteng ns tiger als die fertig vorbereitete SMART ANTENNA und bieten au erdem die M glichkeit der externen Antenne Als externe Antennen werden Patch Antennen eingesetzt die ggf leichter an einem Messobjekt zu adaptieren sind als die gekapselte SMART ANTENNA mit der vorgesehenen 5 8 Zoll Zentrierschraube Vor den Aspekten die den laufenden Betrieb der Sensoren betreffen sind zun chst die Vorabkonfigurationen ihrer Hardware zu behandeln Wie im WSN gefordert sollte auf grund der gegebenenfalls sehr hohen Anza
154. ges Nutzer Der Begriff Daten muss ebenfalls sehr allgemein betrachtet werden Er repr sentiert alle Informationen die den untersuchten Sachverhalt ber hren Zus tzlich werden die Akteure also die in den drei Schritten t tigen Hilfsmittel in Hardware und Software unterteilt Hardware beinhaltet im Wesentlichen die Sensorik die Kommunikationsinstrumente und der Datenspeicher Software repr sentiert die Hilfsmittel die gedankliche Arbeit leisten die rein auf Wissen und Interpretationsverm gen beruht Somit muss der Begriff Software nicht zwangsl ufig ein Computerprogramm umschreiben wie es in der Informatik blich Seite 13 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk ist Gedankliche Arbeit muss auch von einem Menschen geleistet werden der die Ergeb nisse letztendlich interpretieren muss 2 2 1 Datenerfassung Die Datenerfassung ist in technischer Hinsicht Aufgabe der Hardware Sie umfasst unab h ngig von der technischen Umsetzung eines realisierten Beobachtungssystems folgende Vorg nge siehe Abbildung 4 a Aufnahme einer Information im weiteren Daten vom Informationstr ger also dem Objekt oder Sachverhalt des Interesses mit Hilfe eines oder mehrerer Senso ren durch ein nat rliches Medium z B Luft b Weiterleitung der Meldungen der Sensoren die zun chst immer rein analog vor liegen ber ein Kommunikationsmedium an einen A D Wandler c Signalverarbeitung der Sensormeldungen zu ei
155. getroffen wer den bis zu welchem Schritt eine Datenerhaltung sinnvoll ist Es ist m glich die Ergebnis se der Zwischenschritte zu erhalten oder zu verwerfen siehe Abbildung 5 Diese Planung muss neben den Gedanken zur bersichtlichkeit und Datenmenge auch die notwendige Dokumentation ber cksichtigen um durchgef hrte Berechnungen belegen und abgeleitete Schlussfolgerungen begr nden zu k nnen Rohdaten Aufbereitungsschritt 1 Ergebnisse des Schritts 1 5 nein erhalten Aufbereitungsschritt 2 Ergebnisse des Schritts 2 Daten Daten I erhalten 2 nein erhalten Eu Abbildung 5 Prinzipskizze der Teilschritte einer Datenaufbereitung Aufbereitungsschritt 2 Die Datenaufbereitung bietet mehrere M glichkeiten f r die Bereitstellung von Standard l sungen da die Rohdaten der eingesetzten Sensoren in ihrer Masse bekannt sind und auch die Software f r ihre Weiterverarbeitung in die f r die nachfolgende Auswertung Seite 15 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk notwendigen Informationen entweder bereits vorhanden oder auf Basis bekannter Formel apparate programmierbar ist Bei Problemanalysen ist es meist sinnvoll die Rohdaten zu erhalten um nachfolgend un terschiedliche Wege in der Auswertung zu gehen Trotzdem m ssen die Daten auf ein informatives Ma reduziert werden um den Datenbestand zu regulieren und eine ber sichtlichkeit zu gew hrleisten Auch das Erhalten der Ergebnisse bestimmter
156. gramm heraus durch Batch Befehle gegeben Beim Aufruf des WPConvert muss lediglich die umzuformende Datei als Pfadangabe spezifiziert werden Die Bestand teile des Batch Befehls f r die GrafNav Exe umfassen die Vorgabe der f r die Prozessie rung notwendigen Konfigurationsdatei sowie die Form der Ausgabe der Ergebnisse im speziell erzeugten GOCA Export Format Hinzu kommen au erdem noch einige Vorga ben zum Verhalten des Programms bei Fehlern in der Prozessierung Der Aufruf des Batch Befehls aus LabVIEW heraus geschieht ber ein vorgegebenes Virtuelles Instru ment VD Die Konfigurationsdatei wird dabei innerhalb von LabVIEW ber die Kombi nation von Strings automatisch erzeugt Dabei werden im Wesentlichen lediglich die Vor gaben der zu prozessierenden Dateien ge ndert Feste Vorgaben zur Prozessierung in einer Anwendung des GeoSN UniBw etwa zur Elevationsmaske und dem Prozessierungsinter vall m ssen der Messsituation angepasst und ggf im Betrieb optimiert werden Die Forderung nach dem Ablaufen der Aufbereitung parallel zum Logging Programm wird vom genutzten Betriebssystem sichergestellt das die Systemressourcen auf alle lau fenden Prozesse verteilt Hierbei sind lediglich die Wertigkeiten der Prozesse zueinander zu beachtet die in der Regel alle gleichwertig sein sollten Da zumeist Aufbereitungen f r mehrere Sensoren notwendig sind ist die M glichkeit zum gleichzeitigen Ablaufen meh rerer Instanzen zu bedenken Wenn dies nicht m
157. gung 24 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 13 45 16 30 Fahrzeit 2 h 45 min maximaler Hochwert 24 06 2006 250 0 mm erreicht 16 30 9 Motorbewegung 24 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 16 30 19 15 Fahrzeit 2 h 45 min minimaler Hochwert 24 06 2006 80 0 mm erreicht 19 15 10 Motorbewegung 24 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 19 15 22 00 Fahrzeit 2 h 45 min maximaler Hochwert 23 06 2006 250 0 mm erreicht 22 00 Tabelle 16 Punktbewegungen des Rovers 5000 Seite 127 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Im Zuge der Auswertung der lokalen Hochwerte der drei Rover konnten folgende Beo bachtungen gemacht werden a Die Soll Bewegungen des verfahrenen Rovers k nnen sehr genau erkannt werden Der maximale Verfahrweg des Motors von 33 cm ber die Hardwareschalter fest definiert wird zwischen den GPS Positionen des Rovers 5000 in linker und rechter Begrenzung wiederholbar erkannt Die regelm ige Fahrzeit von 2 h 45 min entspricht 9900 Sekunden zwischen minimaler und maximaler Auslenkung entspricht dem Verfahren von 3 cm alle 15 Minuten b Die scheinbaren Positionsver nderungen der anderen beiden Sensoren liegen im Mittel unter einem Zentimeter In diesen Abweichungen sind erneut die periodi schen Erscheinungen der Untersuchung in 7 2 3 zu erkennen Es l sst sich aus diesem Test schlussfolgern dass die Anforderungen an das GeoSN U n
158. hl genutzter Sensoren ein Gro teil ihrer Konfi guration vor dem eigentlichen Betrieb des GeoSN durchgef hrt werden um den Aufwand der Initialisierung des Systems zu begrenzen Alle Sensoren m ssen bereits vor ihrem Ein satz weitestgehend fertig konfiguriert sein um eine sp tere Plug and Play Nutzung zu gew hrleisten Standardm ig sind die meisten Low Cost GPS Empf nger auf eine serielle RS232 ggf RS485 Schnittstelle und ASCH Kommunikation im NMEA Format ausgelegt Die notwendigen Einstellungen an der Hardware dieser Sensoren ist somit die Vorgabe der Schnittstellenparameter siehe Kapitel 4 3 2 1 sowie die Einstellung der Kommunika tionssprache Da eine bin re Datenstruktur der GPS Messungen aufgrund des im Kapitel 3 2 angesprochenen Informationsmangels von NMEA Nachrichten hierbei zwingend not Seite 81 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw wendig ist die Empf nger aber keine parallele Ausgabe von bin ren und ASCH Daten erlauben kommen externe Konfigurationsprogramme zum Einsatz um die Empf nger auf ihre Integration in das GeoSN UniBw vorzubereiten Die Hersteller der Empf nger bieten f r derartige Konfigurationen normalerweise bereits entsprechende Tools in Form von zumeist frei zug nglichen Logging und Konfigurationsprogrammen an F r ihre SUPERSTAR bzw ALLSTAR Boards und damit auch die SMART ANTENNA bietet die Firma NovAtel beispielsweise das Programm StarView 80 Diese Programme
159. hl von Sensoren zu investie ren Dies entspricht dem Ansatz eines WSN und erm glicht wesentlich bessere Modellie rungen durch die h here Anzahl von Messpunkten In den Tests zum GeoSN UniBw konnte seine Nutzbarkeit unter schwierigen klimatischen und infrastrukturellen Bedingungen nachgewiesen werden Die ermittelten Ergebnisse zur Zuverl ssigkeit und Genauigkeit bei der Bestimmung von Geometriever nderungen lassen die Schlussfolgerung zu dass es im Rahmen von Aufdeckung von Bewegungen im Zen timeter bis Millimeterbereich genutzt werden kann Die Anwendung als Near Real Time System mit Verz gerungen in der Bewegungsdetektion von mehreren Minuten verhindern zwar unmittelbare Alarmierungen sind aber in den geplanten Einsatzspektrum v llig aus reichend Die Erzeugung eines Koordinatenwertes aus einem Beobachtungsreihe von Seite 129 GeoSN UniBw Kapitel 8 Zusammenfassung und Ausblick mehreren Minuten machen die Aufdeckung von hochfrequenten Schwingungen unm g lich Langwellige Schwingungen etwa Tagesg nge lassen sich allerdings gut identifizie ren Entwicklungspotential bietet sich f r das GeoSN zum einen bei der Hardware Die Ver f gbarkeit von kosteng nstigeren und leistungsf higeren Sensoren Kommunikationskom ponenten und Elementen der Stromversorgung kann f r die Zukunft eindeutig prognosti ziert werden Die permanent voranschreitende Verbreitung der Nutzung von WLAN die Erweiterung der Satellitennavigationssysteme d
160. hmen etwa in Form der RTCM1819 und RTCM3 Nachricht ca 2440 Bits die alle 1 bis 2 Sekunden bersendet werden m ssen Dies macht ein Kommunikations medium mit entsprechend hoher Daten bertragungsrate notwendig Soll das RTK Ergebnis nur vor Ort am Empf nger zur Verf gung stehen etwa bei einer Absteckung ist lediglich ein Kommunikationskanal notwendig Im GeoSN f r berwa chungsmessungen m ssen die Ergebnisse allerdings permanent an die Zentralstation f r die zeitnahen automatischen Modellierungen aus den Messungen weitergegeben werden Die Weitergabe der Ergebnisse erfolgt in der Regel in NMEA Nachrichten Die Bereitstel lung von Korrekturen bei gleichzeitiger Ausgabe von Messergebnissen erfordert dazu eine Trennung der Eingangs und Ausgangsdaten des Empf ngers Es m ssen entweder zwei komplett getrennte Kommunikationskan le genutzt oder zumindest die Receive und Transmit Leitungen eines Kanals voneinander getrennt werden Es besitzen zwar viele GPS Empf nger zwei Daten Ein Ausg nge in Form von zwei seriellen Schnittstellen aber die getrennte Nutzung der zwei Anschl sse oder das parallele Senden und Empfangen auf einer Leitung stellt besondere Anforderungen an die Kommunikation siehe Kapitel 4 Neben diesen Zw ngen die eine Nutzung von RTK GPS mit sich bringt ergeben sich aber auch mehrere Vorteile Hauptvorteil dieser Methode ist die Bereitstellung genauer 3 D Koordinaten des Rover Empf ngers in Echtzeit Dar ber hinaus ist e
161. hnen die Sensoren in einem GeoSN zumeist permanent bzw in vorab fest definierten Intervallen oder in Reaktion auf eine Anfrage seitens der Zentralsta tion Daten auf Dieses Vorgehen ist in der Regel notwendig um das Verhalten des beobachteten Objekts ber lange Zeitr ume hinweg kontinuierlich beurteilen zu k nnen Werden die Daten aller Sensoren mit Zeitstempeln versehen was insbesondere bei GPS Messungen ohnehin Be standteil einer Messung ist k nnen mit Hilfe einer anschlie enden Synchronisation auf eine identische Zeitbasis alle Sensormessungen kombiniert werden Auf diese Weise wer den die Objektbewegungen mit ber andere Sensorik aufgezeichneten Umgebungsvariab len etwa meteorologischen Messwerten wie Temperatur kombiniert Anschlie end kann sofern erforderlich das Objektverhalten in einem Ursache Wirkungs Modell modelliert und beurteilt werden siehe Kapitel 1 und 2 Ein ereignisgesteuertes Aufzeichnen von geometrischen Messwerten in einem GeoSN erfordert wesentlich mehr Eigenintelligenz am Sensorknoten als die Erfassung der physi kalischen Effekte in einem klassischen WSN da Messungen teilweise vor Ort bereits mit tels umfangreicher Rechenroutinen ausgewertet werden siehe Basislinienprozessierung bei GPS Kapitel 3 2 1 bzw mittels umfangreicher Reaktionspl ne beurteilt werden m ssten siehe optische Messungen von Tachymetern und Nivellieren Kapitel 3 1 Somit muss im GeoSN die permanente Aufzeichnung und bermittlung
162. hohe Stromverbrauch des COM Servers ansonsten den Knoten sehr schnell unbrauchbar macht Es wurden dazu Solarmodule eingesetzt die bei Zwischenschaltung eines Ladereg lers die Batterie st ndig wieder aufladen und somit die notwendigen Spannungswerte er halten k nnen Solarmodul Schaltschrank Patch Antenne zu Solar Controller GPS SMART ANTENNA Abbildung 27 Sensorknoten Typ 1 In Abbildung 27 ist eine Option dieses Sensorknoten dargestellt in der eine GPS SMART ANTENNA als Sensor integriert ist ber den zweiten seriellen Anschluss werden der Stormverbrauch und die Spannung der Pufferbatterie berwacht Zu diesem Zweck wurde Seite 94 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw ein Laderegler der Firma IVT vom Typ SCD 10 eingesetzt 110 Dieser Solar Controller besitzt einen integrierten Mikroprozessor der den Stromfluss sowie die Spannung zwi schen dem Solarmodul der Batterie und dem Verbraucher und zus tzlich die Temperatur berwacht und diese an eine serielle Schnittstelle ausgibt Eine Untersuchung dieser au tarken Versorgung ist in Anlage 4 zusammengestellt Die zweite Option eines Sensorknotens siehe Abbildung 28 beinhaltet COM Server die keine eigene WLAN F higkeiten besitzen wie die UDS100 und 58201 der Tabelle 10 Um die Anbindung in die WLAN Struktur zu erreichen werden diese Server ber eine 8 Port Switch mit einer Workgroup Bridge verbunden die bis zu 8 drahtgebundene
163. hrt au erdem dazu dass das Messger t selbst nicht am Objekt angebracht werden muss sondern extern in einer stabilen Aufstel lung installiert kann Somit kann eine Gef hrdung f r das teure Messger t reduziert und au erdem der Eingriff am Objekt auf das Minimum der zu adaptierenden Prismen be grenzt werden Ein Tachymeter liefert neben den origin ren Messwerten Hz Richtung V Winkel und Schr gdistanz sowie ggf der bereits aus diesen Messungen errechneten Koordinate eines Seite 30 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Prismas insbesondere eine weitere Information in Form der Uhrzeit der Messungen Diese ist aus der Systemzeit des Tachymeters abgeleitet die mittels eines einfachen Quarzes realisiert wird Die begrenzte Zeitstabilit t eines Quarzes f hrt allerdings dazu dass die Ablesungen der Codierungen der Winkelteilkreise nicht streng mit der EDM Strecken messung synchronisiert sind Bei schnellen Punktbewegungen f hrt dies zu Falschmes sungen da sich die Winkelablesungen auf eine andere Position beziehen als die Strecken messung Dies kann bei einer Zeitverz gerung von 0 1 sec zwischen Winkel und Stre ckenmessung und einer Punktgeschwindigkeit von 0 1 m s einen Positionsfehler von 10 mm erzeugen 54 F r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen bei denen Ta chymeter zum Einsatz kommen sind solche Synchronisationsfehler zumeist vernachl s sigbar da sich die beobachteten Punkte nur langsam ver nder
164. hse des Rovers 5000 Erh hung Rover 5000 durch Verfahreinheit Es werden nachfolgend nicht die origin ren geozentrischen Basislinienberechnungen der GKA Datei verwendet sondern die in GOCA bereits umgerechneten Abbildungskoordina ten Dabei werden nur Rechts und Hochwert weiter betrachtet und die H henkomponente vernachl ssigt Da die Punktanordnung der drei Rover nicht genau nach Norden ausge richtet war wird sich einer Funktionalit t von GOCA bedient die die Definition lokaler Koordinatensysteme zul sst Hierbei wird folgende Konfiguration gew hlt a Festlegung der Position des Rovers 3000 als Nullpunkt des Koordinatensystems b Festlegung des Richtungsvektors vom Rover 3000 zum Rover 4000 als lokale Ko ordinatenachse des Rechtswerts ber Definition eines Richtungswinkels von 100 gon 0 3 ui a i over a8 h j Rover 5000 h i l Sollbewegung a Tonn r 77 T I Eee I g I l l l I e 0 AN an en Ya PX oi y N M l AAEN EA l 0 1 0 15 23 06 2007 23 06 2007 23 06 2007 24 06 2007 24 06 2007 24 06 2007 24 06 2007 25 06 2007 06 00 00 12 00 00 18 00 00 00 00 00 06 00 00 12 00 00 18 00 00 00 00 00 Datum Uhrzeit Abbildung 40 Hochwerte der Rover gegen Sollbewegung der Verfahreinheit Nach Festlegung dieses lokalen Koordinatensystems kann die Sollbewegung des Verfah rers und die Istbewegung des Rovers 5000 ber den l
165. htung des Aspekts der Kommunikation in einem GeoSN f r ingenieurgeo d tische berwachungsmessungen ergeben sich zwei besonders hervorzuhebende Berei che Erstens ist zu beachten dass die Beobachtungen innerhalb eines Netzwerks aus geo d tischen Sensoren umfangreich und komplex sind Somit ist die Kommunikation auf ho he bertragungsraten auszulegen Zweitens stellt sich die hardwaretechnische Verbindung einer Kommunikationseinheit mit der genutzten Sensorkomponente zumeist als nicht be liebig konfigurierbar dar Im Allgemeinen beschr nkt sich die M glichkeit der Anbindung eines geod tischen Messger tes bzw einer geotechnischen Loggingeinheit auf den An schluss an eine serielle Rechnerschnittstelle unter Nutzung des RS232 Datenformats Es gibt zwar mittlerweile Systeme die auch einen Netzwerkanschluss erm glichen etwa die GPS1200 Serie der Firma Leica Geosystems in der Spezialversion f r GPS Netzwerke GRS1200 48 und der Trimble S6 der Datenfunk auf der WLAN Frequenz nutzt 49 allerdings sind diese Systeme noch als speziell zu betrachten Ein bereits als GeoSN bezeichnetes System ist das von der Firma Solexperts angebotene GeoMonitor 38 Allerdings ist dieses System mit seiner weitgehend drahtgebundenen BUS Kommunikation und der Auslegung auf analoge Sensoren eher eine Sonderform der berwachungssysteme mit geotechnischen Sensoren siehe Kapitel 3 3 Es k nnen in dieses System zwar auch schon Tachymeter und Digitalnivelliere int
166. i wird ggf die GPS Woche aktualisiert falls diese nicht explizit vom Sensor angegeben wird in Abh ngigkeit des Wechsels der GPS Sekunde von 604799 entspricht Sonnabend 23 59 59 auf 0 entspricht Sonntag 00 00 00 4 Datenmanagement ber Vorgaben der L ngen der einzelnen Speicherdateien z B Aufzeichnung von 15 Mi nuten k nnen in Abh ngigkeit von Rechner oder Sensorzeit neue Speicherdateien und Speicherordner angelegt werden Somit bleibt die bersicht ber die erzeugten Messdaten auch bei langer Aktivzeit des Systems gew hrleistet 1 Pr fung der aktuellen Speicherdatei gt Vergleich der vorgegebenen Messzeit mit der GPS Zeit O O Aktuelle GPS Sekunde gt GPS Sekunde der aktuellen Speicherdatei im Namen hinterlegt siehe Programmpunkt 2 3 Aufzeichnungszeit Anlegen der neuen Datei gem der Vorgaben aus 2 gt Konvertierung der alten Speicherdatei ber eine in LabVIEW aufgerufene O O Batch Routine Wurde eine neue Datei angelegt wird die alte Datei mittels Waypoint WPConvert 41 in das gpb Format umgewandelt das GrafNav f r die sp teren Berechnungen ben tigt Dabei werden neben der gpb Datei die die Messungen enth lt auch die epp Datei die die beobachteten Ephemeriden beinhaltet und ggf eine sta Datei angelegt die f r spezielle Ereignis Informationen vorgesehen ist Bei diesem Aufruf muss darauf geachtet werden dass er den weiteren Be trieb des Loggingprogramms nicht behi
167. iBw als ingenieurgeod tisches berwachungssystem zur Aufdeckung von Bewegungen im Bereich weniger Millimeter trotz der Nutzung von einfacher Low Cost GPS Hardware erreicht werden Seite 128 GeoSN UniBw Kapitel 8 Zusammenfassung und Ausblick 8 Zusammenfassung und Ausblick Ziel dieser Arbeit war es ein System f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen unter Nutzung von Ans tzen aus dem Themengebiet drahtloser Sensornetzwerke zu ent wickeln Es konnte dabei festgestellt werden dass sich die Ans tze der WSN zur Zeit trotz der identischen Zielstellung einer Erfassung und Modellierung eines nat rlichen oder k nstlichen Prozesses nicht generell auf ingenieurgeod tische berwachungsmessungen bertragen lassen Der wesentliche Unterschied ist dabei die Komplexit t der Beobach tungen bei der berwachung von geometrischen Ver nderungen die sehr hohe Anforde rungen an die Sensorik und Kommunikationsmittel stellen Dennoch bieten die WSN den Denkansto zur Entwicklung eines Geo Sensornetzwerkes f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen Die wesentlichen Ansatzpunkte dabei waren die Nutzung von Netzwerkstrukturen in der Kommunikation die Integration verschiedenartiger Sensorik im Datenerfassungsanteil und die Kostenreduktion f r die Hardwarekomponenten des Systems F r den Datenerfas sungsanteil des Systems wurde der Begriff Sensorknoten aus dem Terminus der WSN bernommen Im Zuge der Entwicklung des Systems GeoSN
168. ichtungen die Daten senden und emp fangen Sie stellen damit die eigentlichen Quellen und Senken dar Die Daten bertra gungseinrichtungen oder DCEs sind die Elemente die die Daten zwischen DTEs und den tats chlichen bertragungswegen vermitteln und sind somit die Sender und Empf n ger siehe Abbildung 9 Vor der Betrachtung der physikalischen Realisierung des Datenaustausches m ssen die zwei Kommunikationsaspekte Schnittstellen und Protokolle betrachtet werden 4 3 1 Kommunikationsschnittstellen Eine Schnittstelle ist gem 70 eine definierte Grenze zwischen zwei Hardwareeinrich tungen eines Computers Daten bertragungseinrichtungen oder logischen Softwareeinhei ten F r den Anwender ergeben sich mindestens f nf Schnittstellen entlang eines Kom munikationsweges zwischen einer Quelle und einer Senke siehe Abbildung 16 Datenquelle DTE 1 Datensenke DTE 2 ER SW SS a Applikation 1 Applikation 2 Software Schnittstelle alen SW SS 2 Hi i 5 OSI Software 2 Abbildung 16 Schnittstellen entlang eines Kommunikationsweges DCE Data Circuit Terminating Equipment siehe auch Glossar Anlage 10 Seite 61 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Die erste Hardwareeinrichtung des Kommunikationsweges wird durch das Rechner Board der Datenquelle repr sentiert Auf diesem Board laufen sowohl die Applikation 1 als auch die OSI Software 1 die im Betriebssystem implementiert sein muss Zwischen
169. ie Auswahl der einsetzbaren Instrumente auf die vom Steuer programm unterst tzten Sensoren begrenzt ist Teilweise besitzen die Systeme zwar auch die M glichkeit externe Sensoren mit einzubinden diese Option ist aber entweder den Herstellern vorbehalten oder nur eingeschr nkt m glich Den zweiten Bereich von Anbieterfirmen nehmen diejenigen ein die zwar selbst keine Hardware entwickeln aber die vorgegebenen Softwarem glichkeiten nutzen um die Sen sorik eines oder mehrerer Hersteller in ihrem Programm zu implementieren In diesen Be reich fallen etwa die Programme Monitor GOCA der Firma GeoNav und der FH Karlsru he und GOCA DC3 der Firma Dr Doris Bertges und der FH Karlsruhe 32 IVM CODMS mit GRAZIA der TU Graz 33 das Programmsystem MoSTUM der TU M n chen 34 das Programmsystem DREAMS der UniBw M nchen 35 die Systeme der Firma GEODEV SA in Italien und der Schweiz 36 37 das System GeoMonitor der Firma Solexperts 38 und GNPOM der Firma Geo 39 Einige Programmpakete nehmen die Unterteilung des kompletten Analysevorganges der im Kapitel 2 2 angesprochenen Teile in Subprogrammen vor So ist insbesondere das Pro gramm GOCA ein reines Auswertungsprogramm mit einer offenen Datenschnittstelle f r Daten aus einer berwachungsmessung 32 Dieses Programm kann somit sowohl im online als auch Post Processing Modus eingesetzt werden Die derzeit zugeordneten Pro grammpakete Monitor und DC3 sind wiederum reine Akquisitions
170. ie Nutzung des WLAN durch unbefugte Teilneh mer durch eine Verschl sselung der WLAN Signale Eine WEP wird in der Regel durch die Vorgabe einer Bitabfolge definiert die zumeist eine L nge von 40 entspricht den Bi n rcodes von 5 ASCII Zeichen oder 128 Bit entspricht Bin rcodes von 16 ASCII Zeichen annimmt Sie wird entweder ber ASCH Zeichen oder Hexadezimalcodes siehe Abbildung 12 vorgegeben Eine sicherere Form der Verschl sselung ist die WPA Ver schl sselung die allerdings erst von moderneren Ger ten unterst tzt wird Ein WLAN Client ohne passende SSID und WEP oder WPA kann sich nicht in ein WLAN einw hlen siehe Abbildung 20 unten rechts Der Schutz der Daten bertragungen im GeoSN UniBw gegen unbefugten Zugriff kann somit ber die bereits vordefinierte F higkeit der WLAN Technologie sichergestellt werden Besitzt mindestens eins der teilnehmenden DTE keine eigene WLAN Ausstattung so muss ein DCE1 1 mit entsprechender F higkeit eingebunden werden das ber die normale Netzwerkausr stung des DTE angebunden wird Diese Ger te sind die so genannten Ac cess Points Bridges und WLAN Repeater Werden derartige Ger te mit in das WLAN eingebaut so wird nicht mehr von einem Ad Hoc Netzwerk sondern von einem infra strukturellen Netzwerk siehe Abbildung 2 und Abbildung 21 gesprochen In diesem Netzwerk muss einer der Access Points die Aufgabe des so genannten Root Access Point bernehmen Dieser symbolisiert anschlie en
171. ie konstruierten Sensorknoten auch bei niedrigen und hohen Temperaturen betriebsf hig sind Die praktische Durchf hrung der Tests k nnen der Anlage 3 entnommen werden Seite 109 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Im Zuge der Untersuchungen konnte nachgewiesen werden dass die Sensorknoten durch Selbsterw rmung im Bereich bis 25 C betriebsbereit bleiben und dass auch Erw rmun gen bis auf 48 C sich nicht negativ auf die Funktionalit t auswirken Es l sst sich somit schlussfolgern dass die konstruierten Sensorknoten trotz des einfachen COTS Instrumentariums auch bei widrigen Temperaturen funktionsf hig bleiben wenn entsprechende Ma nahmen bei der Ausstattung des Knotens ergriffen werden 7 1 2 Test zum Stromverbrauch bei Feststromanschluss Der Stromverbrauch wurde anhand eines auf Feststrom ausgelegten Sensorknoten siehe Abbildung 28 in einem 24 Stunden Test untersucht Dabei wurde der Stromverbrauch der eingebauten Komponenten mit Hilfe eines Stromz hlers EnergyCheck 3000 der Firma Voltcraft berwacht der zwischen Steckdose und Knoten geschaltet wurde Die Komponenten innerhalb des Sensorknotens stellten sich wie folgt dar a eine Workgroup Bridge vom Typ Cisco WGB350 b eine 8 Port Switch vom Typ Edimax ES3108P c zwei COM Server vom Typ Lantronix MSS VIA Die Stromversorgung aller Instrumente wurde hierbei ber die zugeh rigen Netzteile si chergestellt ber die 24 Stund
172. ieb und die Adapti on am berwachungsobjekt optimal konzipiert werden Software Die notwendigen Konfigurationen und die Steuerung der Sensorik im Betrieb werden gem den Nutzervorgaben automatisch ausgef hrt da die On Board Software genau bekannt ist Umfangreiche Reaktionspl ne auf bekannte Fehlermeldungen erm gli chen einen sicheren Betrieb b Optimale Ausnutzung der Daten bertragungssysteme Aufgrund der bekannten Kommunikationsparameter der eingesetzten Sensorik k nnen die bergabeschnittstelle zwischen Sensor und bertragungsger t sowie bertra gungsbandbreite bestm glich aufeinander abgestimmt werden Vorgefertigte Konfigu rationsroutinen unmittelbar nach Systemstart schlie en falsche Kommunikationspara meter oder Messdaten von vorneherein aus Seite 19 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk c Datenaufbereitung der rohen Messwerte Da die Dateninhalte genau bekannt sind ist es m glich auch die notwendigen Schritte zur Nachbereitung detailliert zu planen Solche Systeme werden h ufig entweder in Zusammenarbeit des Auftraggebers mit der Herstellerfirma oder sogar als reine Dienstleistung geplant und installiert Ma nahmen zur Implementierung sind dann lediglich im Bereich der Anzahl der eingesetzten Sensoren und ihrer Datenverbindung zur zentralen Auswerteeinrichtung durchzuf hren Nachteil dieser Konzeption ist dass ein Auftraggeber Nutzer in seinen Vorgaben zumeist recht eingeschr nkt ist da d
173. ier Entscheidungen ber den Erhalt gewisser Auswer tungsschritte getroffen werden um ein berm iges und un bersichtliches Datenaufkom men zu vermeiden Bei berwachungsmessungen kann dies etwa dazu f hren dass als Ergebnis einer Bewegungsanalyse eines Punktes nicht die Datei mit Koordinatenwerten und Zeitpunkten sondern nur ein Weg Zeit Diagramm oder eine Funktion abgespeichert wird Fazit Die drei Schritte der Analyse bauen aufeinander auf und k nnen nur in dieser vorgegebe nen Reihenfolge ablaufen Allerdings k nnen sie zeitlich voneinander getrennt werden Mitunter kommt es auch vor dass der Schritt der Datenaufbereitung nicht als eigener Schritt betrachtet wird sondern als Bestandteil der Datenerfassung gilt Dieser Fall tritt auf wenn die Sensoren unmittelbar die Daten liefern die f r die Auswertung nutzbar ist Seite 16 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk 2 3 Ziele der Erfassung von Objektver nderungen Die berwachung der Ver nderungen von Objekten ist ein weit gefasster Themenkom plex in den Ingenieurwissenschaften So vielf ltig wie die zu untersuchenden Objekte und ihre u eren Bedingungen sind so vielf ltig sind auch die technischen Ans tze die Ob jekte zu untersuchen die Ergebnisse zu analysieren und notwendige Ma nahmen abzulei ten Im Wesentlichen bedeutet es dass Bewegungen und oder Verformungen eines belie bigen Objektes sporadisch oder kontinuierlich gemessen ausgewertet und anal
174. iff 12 10 2007 Web 16 http www ana org fags abuse fag htm Zugriff 12 10 2007 Web 17 http www iana org assignments port numbers Zugriff 12 10 2007 Web 18 http www ralf woelfle de elektrosmog redir htm http www ralf woelfle de elektrosmog technik funkfeld htm Zugriff 04 10 2007 Web 19 _ http www vias org wirelessnetw wndw_04_08b html Zugriff 04 10 2007 Web 20 http german bluetooth com bluetooth Zugriff 26 04 2006 Web 21 http archives sensorsmag com articles 1203 26 main shtml Zugriff 30 03 2007 Seite 177 GeoSN UniBw Web Literaturverzeichnis Web 22 http www varta automotive com pmd showBatterieDetail do ArtikelNr 8300850003101 Zugriff 22 12 2006 Web 23 http support microsoft com kb 169289 de Zugriff 10 03 2006 Web 24 http www sprut de electronic interfaces rs232 rs232 htm Zugriff 14 04 2007 Seite 178 GeoSN UniBw Lebenslauf 05 05 1975 Juni 1995 Juli 1995 Oktober 1998 Mai 2002 Juli 2002 Juli 2006 Lebenslauf geboren in Neum nster Schleswig Holstein Abitur an der Klaus Groth Schule Neum nster Schleswig Holstein Eintritt in die Bundeswehr als Offizieranw rter der Artillerietruppe Beginn des Studiums der Geod sie und Geoinformation an der Univer sit t der Bundeswehr M nchen Abschluss des Studiums Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl f r Ingenieurgeod sie der Universit t der Bundeswehr M nchen Versetzun
175. ildung 38 Rover 3000 Abbildung 38 3 dimensionale Lage der Bewegungsachse des Rovers 5000 c Erstellung eines Fahrtprogramms mit Bewegungen von 3 cm alle 15 Minuten und Wechsel der Bewegungsrichtung beim Erreichen der Endschalter d Einbindung der drei Sensoren in einen Sensorknoten Aufzeichnung der Messun gen mit GeoSN UniBw siehe Kapitel 7 2 1 2 Prozessierung von 15 Minuten Dateien und Auswertung der Beobachtungen mit GOCA e Aufzeichnung von Fahrtbewegungen ber einen Zeitraum von 37 Stunden und 45 Minuten Vor der Betrachtung der Ergebnisse sind noch einige grundlegende Aspekte der Anord nung der drei Rover zueinander zu beachten Die Betrachtung der Bewegungen der drei Rover soll relativ zu ihrer Initialisierungsposition bezogen auf den Verbindungsvektor zwischen den zwei festen Punkten 3000 und 4000 vorgenommen werden Da die Bewe gungsachse des Rovers 5000 durch die H he der Verfahreinheit r umlich nicht mit dem Verbindungsvektor zusammenf llt siehe Abbildung 39 muss der Abstand prinzipiell dreidimensional betrachtet werden Da das Verfahren allerdings gen hert nur in der Hori zontalebene stattfindet kann die weitere Berechnung auf die zweidimensionale Horizon talebene beschr nkt werden Seite 125 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Verfahrweg Rover 5000 Rover 5000 _ B 0 Verbindungsvektor v Rover 3000 4000 Abbildung 39 Aufriss der Bewegungsac
176. im Kapitel 5 2 bei der Beschreibung des Systems GeoSN UniBw f r verschiedene Sensoren wieder aufgegriffen P DTE Data Terminal Equipment 70 z B ein Sensor siehe auch Glossar Anlage 10 Seite 49 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Die Formatierung der Daten wird auch Quellcodierung genannt 69 Die Quelle codiert dabei ihre Informationen ber ein fest vorgegebenes Muster das in gleicher Form der Senke bekannt sein muss um die Informationen wiederum decodieren zu k nnen Die Grundlage digitaler Rechnerdaten ist das Bit das die kleinste digitale speicherbare Information darstellt und gem dem Bin rcode nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann Aus derartigen bin ren Daten k nnen ber eine weitere Codierung mehrere Bits zu Bytes Zusammenstellung aus 8 Bits und dann zu Bytestrings kombiniert werden die verschie dene Informationen enthalten k nnen Ist diese Codierung einem entsprechenden Visuali sierungsprogramm bekannt so k nnen die Informationen zum Beispiel ber einen Moni tor sichtbar gemacht werden Will ein menschlicher Nutzer digitale Daten die Textinformationen enthalten betrachten so ist es notwendig sie etwa ber die ASCIH Codierung 72 75 in Buchstaben und Zahlen darzustellen Jedes Zeichen umfasst im ASCII Code eine Datenl nge von 7 Bits 71 Codierungen finden auch f r andere digitale Daten etwa Bilddaten statt wenn die bin ren Daten nicht Buchstaben sondern Inf
177. imale bertragungen min destens 60 der ersten Fresnelzone N 0 6 frei von Hindernissen bleiben m ssen siehe 90 Ein Signal wird durch eine Belaubung entlang des Weges m glicherweise bereits so stark abgeschw cht dass keine Verbindungen m glich sind Dies macht eine genaue Planung der Richtverbindung zwischen den einzelnen WLAN Teilnehmern zwingend erforderlich Die D mpfung innerhalb des Signalweges wird bei sehr langen Strecken bereits durch die Topographie hervorgerufen wenn diese in den Signalweg hineinreicht Bei derartigen Strecken m ssen die Antennen somit entsprechend hoch angebracht werden Vorteile ha ben hierbei etwa Verbindungen zwischen Hochh usern Mit Hilfe der Repeater siehe Abbildung 21 k nnen dabei Strecken verl ngert oder Hindernisse umgangen werden Eine praktische Untersuchung der Fresnelschen Zone einer WLAN Verbindung im Ge oSN UniBw kann der Anlage 2 entnommen werden Bei der Erh hung der Reichweite sinkt aufgrund der Signallaufzeit zwangsl ufig die Da ten bertragungsrate wobei gem Firmenaussagen etwa mit der Hardware der Firma SBB Elektronik AIRLINK 45 Antennen auf 18 km noch 5 5 MBps 91 und mit der Ausr stung von Cisco Systems AIR ANT3338 Parabolantennen auf 42 62 km noch 2 MBps 93 m glich sind 4 3 3 2 3 Bluetooth Das System Bluetooth Web 20 ist in gewisser Weise ein Zwischenschritt zwischen Da tenfunk und WLAN Es wird zwar in der Regel in Form von Datenfunk insbesondere zur
178. ine eingebaute Montageplatte f r die feste Installation der geplanten Kommunika tions Energieversorgungs und Sensorelemente des Knotens Au erdem sind Kabel durchf hrungen f r die Drahtverbindungen zu den externen Sensorteilen z B GPS Antennen f r das ggf zu nutzende Stromversorgungskabel und das Verbindungskabel zur WLAN Antenne im Schaltschrank integriert Die gekapselte Bauweise und verschie dene Schlie mechanismen sichern den Inhalt des Sensorknotens vor Witterungseinfl ssen siehe Anlage 3 und unbefugtem Zugriff Bez glich der F higkeiten der Knoten werden sie durch ihre Einbindung in das WLAN voneinander unterschieden Zum einen werden Knoten verwendet die einen MSS VIA COM Server inklusive einer WLAN PCMCIA Karte beinhalten siehe Tabelle 11 und sich somit unmittelbar in die WLAN Strukturen als WLAN Client einh ngen k nnen Dieser Knoten unterst tzt 2 RS232 Sensoranbindungen da der MSS VIA zwei derartige Anschl sse besitzt siehe Tabelle 10 Da der Server unmittelbar D Sub 9 Buchsen f r RS232 Stecker anbietet k nnen die Sensoren sehr einfach angebunden werden Dieser Server ist f r eine Versorgungsspannung ausgelegt die 12 Volt zul sst so dass die weitere Elektronik dieses Knotens auf ein Minimum begrenzt werden kann wenn eine normale 12 Volt Pufferbatterie eingesetzt wird Der Gebrauch einer derartigen Batterieversorgung stellt aber auch die Notwendigkeit einer autarken Nachladung der Batterie heraus da der
179. inen Rechner bzw das Kommunikationssystem des GeoSN keine weiteren Ein stellungen am Ger t notwendig sind Besonders zu beachten ist bei diesen Ger ten allerdings dass die Kombination aus Sensor und A D Wandler grunds tzlich vor ihrem Einsatz kalibriert werden muss um den analo gen Sensormessungen digitale Werte zuordnen zu k nnen Als Referenz f r diese Kalibrierungen muss ein bereits vorbereitetes System gleicher oder besserer Genauigkeit zur Verf gung stehen Die Kalibrierung einer derartigen Sensor Logger Kombination ist in der Anlage 7 beschrieben 5 3 Kommunikationshardware Der wesentliche zu erf llende Aspekt bei der Kommunikation im GeoSN UniBw ist die Adressierbarkeit der einzelnen Sensorknoten um die Spezifikation eines Netzwerks zu erreichen siehe Abbildung 17 und Abbildung 18 Wie in der Beschreibung der Sensorkomponenten im Kapitel 3 erl utert stellt sich f r die meisten Sensorelemente eines GeoSN wie Tachymeter GPS und Loggingeinheit der geo technischen Sensoren aber auch f r die sonstigen Sensoren Zw nge bez glich des Daten anschlusses Die Sensoren besitzen in der Regel nur serielle RS232 Anschl sse und somit lediglich die M glichkeit der reinen Hardwareadressierung siehe Kapitel 4 3 2 1 5 3 1 Kabelverbindung Als hardwaretechnisch einfachste Realisierung einer Datenleitung wird zun chst die ka belgebundene Verbindung zu einem Sensor angestrebt Dies macht die Forderung nach der Erh hung der A
180. iner optischen Sichtverbindung ist Eine weite Verbreitung der Anwendung dieser Technik f r Daten bertragungszwecke sind die Infrarotschnittstellen von Laptops Einen wesentlich h heren Stellenwert nehmen bei der Daten bertragung die bertragun gen mittels Funkwellen im Hoch HF Sehr Hoch VHF und Ultra Hoch Frequenzbereich UHF ein 72 Dabei werden mit Hilfe der bereits angesprochen Modu lationstechniken die Daten auf einen Wellenstrom dieser Frequenz aufmoduliert Die Wel len k nnen dabei permanent versendet werden wie bei Radiowellen oder nur paketbezo gen wie es beim Datenfunk der Fall ist TDR Time Domain Reflectometry 72 Seite 69 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Bei der Nutzung elektromagnetischer Wellen als Tr ger der Datenpakete sind folgende Aspekte f r einen Nutzer von Bedeutung a Je h her die Frequenz desto h her auch die bertragungskapazit t da etwa Phasen und Amplitudenmodulation f r mehr Wellenl ngen pro Zeit angewen det werden k nnen b Die Frequenz des Tr gers wird bei der Modulation ver ndert so dass eine gan ze Frequenzbandbreite genutzt wird Je h her die Bandbreite desto h her die bertragungsrate 72 c Unterschiedliche Frequenzen haben stark unterschiedliche D mpfungseigen schaften durch die Atmosph re und feste Hindernisse d Die Antennen f r die Aufnahme von Funkwellen m ssen f r optimalen Emp fang die Lambda 2 Eigenschaf
181. inien werden in das GKA Format des GOCA Programms aufbereitet 32 1 Herausziehen des Endergebnisses der GrafNav L sung und Analyse des Ergebnis ses auf Einhaltung von Vorgaben zur L sung der Basislinie ber maximale Stan dardabweichungen des Ergebnisses 2 Aufbereiten der Daten aus GrafNav in den GKA Standard gt Hierbei m ssen die Kovarianzelemente mit 1000 multipliziert werden und die Rover Zust nde statisch und kinematisch sowie Mehrdeutigkeitsl sungen float und fixed mit den entsprechenden GKA Bezeichnungen definiert wer den 3 Abspeichern der validierten Basislinien in der GKA Datei 8 Systembereinigung Es werden alle berfl ssigen GrafNav Ergebnisdateien die gpb epp und sta Dateien so wie die cfg Dateien gel scht Es verbleiben nur die originalen Messdaten die Haupter gebnisdatei aus GrafNav und die aktualisierte gka Datei 9 Weitergabe der Daten an die Auswertesoftware Die aufbereiteten Daten werden in einem Zielordner abgelegt auf den die unabh ngig vom Logging Programm laufende Auswertesoftware GOCA zugreifen kann Dies sollte ein im Netz freigegebener Ordner sein um auch Zugriffe ber das Internet zu erm gli chen falls die Auswertesoftware auf einem anderen Rechner implementiert ist Seite 148 GeoSN UniBw Anlage 6 Anlage 6 Untersuchungen zur Kommunikation In einer Untersuchung zur Kommunikation sollte eine kombinierte Anwendung verschie dener Kommunikationsmedien und Kommunikation
182. ion leicht reali sierbar aber auch bei diesen Ger ten sind einige Faktoren besonders zu beachten 16 Ein verbesserter Ansatz ist hier die Nutzung zus tzlicher Hardware in Form eines Bus Systems wie beim SOLEXPERTS GeoMonitor 38 wobei nur eine einzige Kabelleitung bzw eine von einem zentralen Ka bel aufgebaute Baumstruktur f r die Sensoren genutzt wird Seite 43 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN l hohe Kosten f r das zentrale Messger t die Kosten f r einen Tachymeter von mehreren tausend Euro machen einen Einsatz nur bei entsprechend hohem Budget f r die berwachungsaufgabe m glich 2 optische Sichtverbindung zu den Gegenst cken der Messung Prisma bzw Niv Latte die durch atmosph rische Einfl sse leicht gest rt werden kann Eine berwachung mit optischen Messger ten ist allem f r solche Objekt interessant die von einem Aufbaupunkt komplett eingesehen werden k nnen etwa eine Staumauer Hier l sst sich die Option des 1 Knoten Netzwerks siehe Kapitel 3 1 2 optimal umsetzen Zuletzt stellt auch eine Nutzung von GPS Empf ngern einige besondere Anforderungen 1 Erreichbarkeit einer entsprechend hohen Genauigkeit nur bei Nutzung des DGPS Prinzips mit L sung der Tr gerphasenmehrdeutigkeit 2 Zwang zu m glichst freier Himmelssicht und der Gefahr von Mehrwegeffekten Beobachtungen mit GPS Sensoren eignen sich insbesondere f r die berwachung gro fl chiger Objekt wie etwa Hang
183. ist somit prinzipiell zun chst immer reversibel oder elastisch Web 5 Erst beim berschreiten bestimmter Grenzwerte der Belastung oder bei nderung der chemischen Zusammenset zung des Objekts ist die Verformung irreversibel oder plastisch Bei einer berwachungsmessung von Verformungen muss insbesondere das Auftreten plastischer Verformungen festgestellt werden da diese signifikant die Gebrauchsf higkeit beeintr chtigen k nnen Um einen plastischen Anteil zu identifizieren muss zun chst der grunds tzlich vorhandene elastische Verformungsanteil betrachtet werden Aufgrund des Zur ckgehens des Objekts in den Ursprungszustand nach einer Verformung kann dieser Anteil auch als Schwingung bezeichnet werden Eine Schwingung ist physikalisch so definiert dass sie entsteht wenn ein K rper aus einer stabilen Gleichgewichtslage durch eine u ere Kraft ausgelenkt wird 17 und anschlie Bend eine sich periodisch wiederholende Bewegung ausf hrt Bei dieser Schwingung sind die Amplitude und die Frequenz von Bedeutung Die Amplitude ist relevant da ber sie das Erreichen der Grenzwerte hin zur plastischen Verformung prognostiziert werden kann ber die Frequenz kann insbesondere auf das Reaktionsverhalten des Objekts auf u ere Anregungen geschlossen werden So k nnen physikalische Zusammenh nge zwischen Einflussgr en aus der Meteorologie wie Temperatur und Windeinfluss sowie Nutzungs belastungen und den daraus resultierenden Verformunge
184. it und richtung oder Wasserst nden in einem Stausee der Untersuchung der Ursachen von Objektbewegungen Im Testaufbau des GeoSN wurde exemplarisch eine Meteo Station WS 2308 der Firma La Crosse 68 siehe Abbildung 7 untersucht Seite 44 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN ne Messgr en S aE Temperaturmessung Innen EERTI a Temperaturmessung Au en 2 u Druckmessung EE i t Windrichtung u L Windgeschwindigkeit e Niederschlagsmenge von Zeitmessung ber DCF 77 Signal Abbildung 7 Meteo Station WS 2308 Diese Meteo Station beinhaltet Sensoren f r Temperatur Druck und Windeinfl sse Die Messdaten werden an einer zentralen Displayeinheit zusammengef hrt die diese ber eine serielle Schnittstelle ausgeben kann Neben den atmosph rischen Sensoren beinhaltet die se Station eine Funkuhr die ber einen entsprechenden Empf nger die ausgestrahlten na tionalen Atom Uhrzeiten f r die zeitliche Synchronisation der Messwerte nutzen kann Das Daten und Befehlsprotokoll dieser Station wird von Hersteller standardm ig nicht angeboten konnte aber nach Recherchen Web 10 entschl sselt werden Ein weiterer exemplarisch untersuchter Sensor ist eine IP Kamera NC1000 W 10 der Fir ma V Center Web 11 siehe Abbildung 8 Technische Daten Drahtgebundner Netzwerkzugang WLAN f hig Nachtsichtf hig Ger uschaufnahme Bewegungsdetektion Abbildung 8 IP Kamera NC1000 W10 Diese Webcam is
185. itel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Eingabeger te Maus Tatstatur Ausgabeger t Monitor Zentralstation Desktop PC Datenspeicher Mainboard Festplatte CD Brenner Rechnerchip Mittlere Leistung 2xRS232 2xISA Stecklatz 1x RJ45 Netz 4 x PCI Steckplatz 2x USB Abbildung 24 Hardware Ausstattung eines Desktop PC f r die Zentralstation Die standardm ige Ausstattung eines Desktop PC siehe Abbildung 24 ist f r die An wendung als Zentralstation innerhalb des GeoSN nicht ausreichend Es muss die Anzahl der Hardwareschnittstellen erh ht werden um die verschiedenen Kommunikationsmedien zu den multiplen Sensorknoten und ggf weiteren Auswerterechnern zu nutzen Im Vor dergrund stehen dabei die Erh hung der RS232 und RJ45 Schnittstellen Die Integration einer WLAN Schnittstelle die bei Desktop PCs anders als bei Laptops nicht standardm ig vorgesehen ist kann ebenfalls sinnvoll sein Sie ist aber in einem infrastrukturellen WLAN zumeist nicht erforderlich wenn der Zentralrechner drahtgebun den an die WLAN Infrastruktur siehe Abbildung 21 angeschlossen ist Lediglich im Ad Hoc WLAN siehe Abbildung 20 ist sie unerl sslich um die Zentralstation mit den Sen sorknoten zu verbinden Die Erweiterungen der Hardware k nnen mit folgenden Hilfsmitteln erreicht werden 1 PCI Erweiterungskarten Mit Hilfe derartiger Karten k nnen Schnittstellen mittels zus tzlicher Hardware auf dem
186. itr umen Keine Kommunikation als belegt zu betrachten in denen die Applikation auf OS2 den Befehl verarbeitet und die Antwort generiert Diesem Punkt ist bei der Nutzung von Motorisierten Tachymetern besondere Beachtung zu schenken da die Ausf hrung eines Zielpunkt anfahren und messen Befehls der den Regelfall f r die Nutzung dieser Ger te darstellt entsprechend lange f r die Ausf hrung braucht Eine Duplex Daten bertragung ist notwendig wenn einer der Teilnehmer zwar permanent Da ten generiert aber zur gleichen Zeit f hig sein muss Daten entgegenzunehmen Da OS in der Regel Multitasking Systeme 70 und somit zur simultanen Ausf hrung mehrerer Auftr ge Tasks bef higt sind ist es m glich dass die Applikationen auf den beiden OS quasi parallel Daten generieren und verarbeiten k nnen Dies bedeutet dass die OS prinzipiell die F higkeit besitzen gleichzeitig Datenquelle und senke zu sein siehe Abbildung 15 Permanente Daten ber Quelle tragung Senke en Datengene Datenverar Applikation rierung beitung auf D oS1 Datenverar atengene beitung rierung Permanente Daten ber tragung Eh Datenpaket Abbildung 15 Duplex Daten bertragung zwischen zwei Open Systems Senke Datenverar beitung Datengene rierung Quelle Datengene Applikation rierung auf osl Datenverar beitung Senke Die Ausnutzung dieser F higkeiten stellt aber besondere Anforderun
187. itzen neben den einfachen Wandlungsf higkeiten hin zu digitalen Daten auch Rechnerkapazit ten zur Umwandlung der digitalisierten Strominfor mationen in die gesuchten Gr en L ngen Neigungen usw Dazu werden Kalibriergr en der Sensoren eingespeichert und anschlie end angebracht Ein integrierter Zeitgeber etwa in Form einer CMOS Uhr sorgt zus tzlich f r die Kombination von Messwert mit Mes sungszeitpunkt was eine Verkn pfung der verschiedenen Messungen erm glicht Der integrierte Rechner erm glicht in Kombination mit dem Zeitgeber auch vorprogrammierte 15 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Begriff aus der Halbleitertechnik Seite 41 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Abfragen der einzelnen angeschlossenen Sensoren Die A D Wandlung definiert hierbei den Genauigkeitsbereich des geotechnischen Sensors da er festlegt in wie viele diskrete Messstellungen eine nderung des elektrischen Signals zerlegt werden kann 44 Neben dieser Genauigkeitsdefinition besitzen einige Sensoren noch zus tzliche M glichkeiten der Genauigkeitssteigerung indem die maximale Bandbreite des Ausgangsstromsignals auf eine kleinere Bandbreite von Ver nderungen der berwachten Gr e eingestellt wird Diese Form der Konfiguration ist in Anlage 7 am Beispiel der Schlauchwaagenkombinati on eines Gloetzl Schlauchwaagenbeh lters mit einem ABB Drucksensor 67 und einer Gloetzl MFF2 12 Loggingeinheit 43 erl utert
188. l eine neue GKA Datei angelegt Hierbei muss beachtet werden dass die GPS Wochensekunden auf Zulu Zeit bezogen sind Die Rechnerzeit die in Deutschland normalerweise je nach Winter oder Sommerzeit auf Alpha bzw Bravo Zeit 1 bzw 2 Stunden zur Zulu Zeit einstellt ist ebenfalls auf Zulu Zeit bezogen wer den muss um die GPS Messzeit in GOCA richtig darstellen zu k nnen Abschlie end sind auf dem GOCA Rechner die in GOCA notwendigen Einstellungen zur Ger tekonstellation Stabil und Objektpunkte verschiedenen Epochen und lokalen Ko ordinatensystemen zu t tigen 32 Die Initialisierung des Projekts kann erst gestartet wer den wenn das Logging Programm schon etwa zwei Stunden in Betrieb ist um die not wendige Beobachtungsmenge zur Festlegung des Stabilpunktfeldes zu gew hrleisten Nach erfolgreicher Initialisierung kann die permanente Auswertung aufgezeichneter Daten ggf inklusive einer Kalmanf lterung gestartet werden Spezielle Vorgaben zur Datenfilte rung auf Ausrei er und unzureichende Daten wird hier ebenfalls festgelegt Sprungerken nungen und Alarmierungen erm glichen Reaktionen auf identifizierte Bewegungen Im Gegensatz zur Nutzung von RTK Messungen von GPS Empf ngern wie etwa beim DC3 und Monitor siehe Kapitel 3 2 2 hat die Near Real Time Prozessierung mit dem Programm GrafNav den gro en Vorteil dass die kompletten Kovarianzinformationen der prozessierten Basislinie mit bergeben werden k nnen und so eine wesent
189. lich bessere Ausnutzung der Ausgleichungsalgorithmen in GOCA erm glichen Eine Auswertung ei ner Zeitreihe des GeoSN UniBw in GOCA ist in Anlage 8 erl utert Seite 108 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Es wurde eine Konstellation des GeoSN UniBw realisiert wie sie auch in einer tats chli chen berwachungsaufgabe Anwendung finden kann In diesem Testaufbau ist zum einen ber eine gewisse Betriebszeit die permanente Arbeitsf higkeit des Gesamtsystems ber pr ft und zum anderen mit Hilfe von Soll Ist Vergleichen vorgegebener Bewegungen und Sensoranordnungen die Nutzbarkeit des Systems zum Aufdecken von Objektbewegungen nachgewiesen worden um die geforderten Spezifikation eines geod tischen berwa chungssystems siehe Kapitel 2 sicherzustellen 7 1 Tests zu grundlegenden Funktionalit ten Um eine permanente und autarke Funktionalit t des Systems zu gew hrleisten sind einige Tests der genutzten Hardware notwendig Diese Tests umfassen im Wesentlichen folgende Punkte a Funktionalit t der Sensorknoten unter widrigen Witterungsbedingungen b Ausreichende Stromversorgung und pufferung der Sensorknoten im laufenden Betrieb c Kombination verschiedener Sensorik an einem Sensorknoten d Realisierung der Kommunikation in mittleren Reichweiten mit garantierter Ver bindungshaltung e Kombination verschiedener insbesondere drahtloser Kom
190. ll Da sich die Eigenschaften der eingesetzten Sensoren bzw Sensorsysteme signifikant von einander unterscheiden insbesondere was die Adaption am Objekt sowie die Art der Messwerte und ihre Generierung betrifft werden sie in drei Kategorien behandelt 1 optisch messende Sensoren Motorisierter Tachymeter Digitalnivellier 2 GPS Empf nger mit der M glichkeit zur Phasenmessung 3 geotechnische Sensoren und sonstige relativ messende Sensoren Die zu untersuchenden Aspekte der drei Kategorien m ssen folgende Punkte umfassen a vorhandene Eigenf higkeiten des Sensors b physikalische Auspr gung des Sensors in Bezug auf Gr e und Gewicht c notwendigen Zusatzger te f r die Generierung der Messwerte d Form und Umfang der generierten Messwerte e Frequenz der Messwertgenerierung f rechnerseitige Anbindung des Sensors g Stromverbrauch h Preis Neben den geometrisch messenden Sensoren werden in einem GeoSN auch immer ander weitige Sensoren insbesondere zur Erfassung meteorologischer Gr en wie Temperatur und Druck zum Einsatz kommen Es k nnen au erdem wie im WSN anstelle von Senso ren auch Aktoren Komponenten eines Knotens sein Die Aktoren in einem GeoSN sind dann etwa Kleinstmotoren die auf Befehle von der Zentraleinheit bestimmte Aktionen ausf hrten um etwa eine Bewegung zu simulieren oder einen Sensor anderweitig auszu richten Eine Nutzung derartiger Kleinstmotoren in Kombination mit Sensoren ist in Anlage 6 e
191. m glichkeiten in einem Web Browser Serielle COM Server werden etwa Wiesemann amp Theiss WuT Lantronix Vision Systems Moxa und Axis Communications angeboten Im GeoSN UniBw wurden insbesondere Ger te der Firmen Lantronix 102 103 104 und WuT 105 erprobt siehe Tabelle 10 Seite 86 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw WuT Typ 58201 Lantronix UDS100 u P Lantronix MSS VIA Cia Lantronix MSS 485 T bh Hardware Schnittstellen 1 x RS232 D Sub 9 Stecker 1 x Ethernet RJ45 Stecker BNC Stecker 1 x RS232 D Sub 25 Stecker 1 x Ethernet RJ45 Stecker 2 x RS232 D Sub 25 Stecker D Sub 9 Stecker 1 x Ethernet RJ45 Stecker 1 x RS232 Konfig D Sub 9 Stecker 1 x RSS485 422 RJ45 Stecker Schraub Terminal Block 1 x Ethernet 1 x PCMCIA Slot RJ45 Stecker drahtgebundene bertragungsrate RS232 RS232 RS232 RS485 422 300 57600 Bps 300 115200 Bps 300 230400 Bps 300 115200 Bps Ethernet Ethernet Ethernet 100 MBps 100 MBps 10 MBps drahtlose bertragungsrate keine keine WLAN 802 11b keine 11 MBit ber PCMCIA Karte Stormversorgung 5V 9 30 V 9 30 V 6V 12 V durch Wandler max 250 mA max 800 mA 0 7 mA 0 8 mA Konfiguration Seriell nur IP Adresse editierbar Seriell Telnet und Web Browser Seriell Telnet und Web Browser Seriell Telnet und Web Browser Telnet
192. manent langsamer wird und sich demzufolge st ndig mehr Daten ansammeln was zwangsl ufig zum Ausfall des Programms f hrt Gegebenenfalls m ssen deshalb Reduktionen des Zwischenspeichers auf tats chlich ben tigte Daten durchgef hrt werden falls der Sensor selbst keine M glichkeit einer Begrenzung des Da tenvolumens etwa in der Form von minimalen Aufzeichnungsraten f r GPS Beobachtungen besitzt Seite 102 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Systemeinstellung Abbildung 31 Blockdiagramm der Datenaufzeichnung Seite 103 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw 6 2 3 Datenaufbereitung Die Prozessierung gespeicherter Rohdaten hin zu nutzbaren Informationen wie sie f r nachfolgende Auswerteprogramme notwendig sind muss als dritter Prozess laufen Zweckm igerweise kommen hnlich wie bei der Konfiguration in Kapitel 6 1 wiederum externe erprobte und leistungsf hige Programme zum Einsatz Diese Programme m ssen dazu mehrere Voraussetzungen erf llen a M glichkeit zum Aufruf aus dem Logging Programm heraus b M glichkeit zum parallelen Ablauf neben dem Logging Programm c M glichkeit zur Ausgabe der Ergebnisse in einer vom Nutzer spezifizierbaren Form Im GeoSN UniBw wurde die Prozessierung der GPS Daten mit dem Programm GrafNav der Firma NovAtel 41 realisiert welches die genannten Forderungen unterst tzt 6 2 3 1 GrafNav Das
193. medien Adresse des jeweiligen Ger ts zur Identifikation des Knotens im System P Adresse und Port Nummern bei den LAN Ger ten Funkadresse bei den Datenfunkger ten Serielle Schnittstellengeschwindigkeit bei Funkger ten und COM Servern zum angeschlossenen Sensor Funktionsmodus des Kommunikationsger tes Transceiver Transmitter oder Receiver bei Funk Access Point Bridge oder Repeater bei WLAN Infrastruktur Ger ten Seite 97 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Zugriff auf die serielle Schnittstelle bei den COM Servern Remote oder Local Zugriff auf die serielle Schnittstelle b Sensorkomponenten Vorgabe der genutzten Schnittstelle zum Kommunikationsger t Schnittstellengeschwindigkeit der seriellen Kommunikation Vorgabe der Kommunikationssprache bin r oder ASCII Automatischer Wechsel des Ger ts in den Online Modus bei Aktivierung Falsche Voreinstellungen verhindern ggf die komplette Funktionalit t der entsprechenden Hardwarekomponente oder sogar des gesamten Systems Eine falsche Geschwindigkeit einer Schnittstelle bringt insbesondere bei der Nutzung von Datenfunk Probleme mit sich Da bei Datenfunk die maximale bertragungsgeschwindigkeit begrenzt ist siehe Tabelle 9 l sst sich eine zu hohe Geschwindigkeit der Verbindung zum Sensor nicht mehr korri gieren da das Funkger t in der Regel keine interne Umwandlung der Kommandos auf die neue Geschwindigkeit d
194. men aber da seine Adaption am Objekt nur im Hinblick auf die zu untersuchende Gr e geschieht insbesondere an der Anbringung eines DMS ber einem Riss zu erkennen ist auch hier die Forderung nach sehr genau geplanter Installation gegeben Da bei berwachungsaufgaben auch immer eine gewisse Historie aufgebaut werden muss also l ngere Beobachtungszeiten notwendig sind sind die Sensoren f r entsprechend lan ge Arbeitszeiten zu konzipieren Somit ist ein reiner Batteriebetrieb ausgeschlossen und eine wiederaufladbare oder autarke Stromversorgung aus dem normalen Stromnetz not wendig Im Allgemeinen ben tigen die Sensoren in einem GeoSN verglichen mit den ein gesetzten Sensoren eines WSN au erdem relativ gro e Energiemengen was die Forde rung nach permanenter Stromversorgung noch versch rft Somit sind die Stromversor gungseinrichtungen sehr umfangreich zu planen was dem Miniaturisierungsgedanken widerspricht Auch der Preisaspekt ergibt einen wesentlichen Unterschied da selbst Low Cost Systeme f r die notwendigen genauen Positionsbestimmungen noch immer mehrere Hundert Euro pro System kosten Dieser Kostenpunkt steigt exponential mit gew nschten F higkeiten der Knoten Ebenso kostspielig stellen sich die notwendigen umfangreichen Systeme f r Batterie und Stromversorgung dar da ein Sensorknoten eines GeoSN durch seine beson deren Sensoren und Kommunikationseinheit in der Regel einen hohen Stromverbrauch besitzt Bei der Betrac
195. mentierte F higkeit aber f r die Sensoren im GeoSN zwingend erforderlich siehe Kapitel 3 2 1 Ein GPS Empf nger der Tr gerphasen auf beiden GPS Frequenzen messen kann wird auch als High End oder geod tischer Emp f nger bezeichnet da mit Hilfe dieser Messungen die h chsten Genauigkeiten m glich sind siehe Kapitel 5 2 2 Mit Hilfe der Code Messungen bestimmt ein Empf nger die zugeh rigen Pseudoranges zu den Satelliten und ber die bekannten Koordinaten der Satelliten zum Zeitpunkt der Mes sung seine Position als so genannte Single Point Position SPP mit einer Genauigkeit von einigen Metern Eine Ausgabe von Positionen ist dann etwa im standardisierten NMEA ASCII Format Web 7 m glich die noch auf die wesentlichen Informationen Zeit und Koordinate reduziert werden k nnen Somit kann die Informationsmenge einer GPS Messung stark begrenzt werden Die hoch genaue Zeitbestimmung mit GPS ber die Atomuhren der Satelliten GPS Systemzeit hat dar ber hinaus den Vorteil dass die Mes sungen anderweitig angeschlossener Sensoren auf diese Zeitbasis synchronisiert werden k nnen Seit der Einf hrung des Navstar GPS haben sich die Empf nger aufgrund des technischen Fortschritts auf dem Gebiet der Stromversorgung und Miniaturisierung von Rechnerkom ponenten stark weiterentwickelt Viele der notwendigen T tigkeiten bei der Akquirierung und Auswertung von GPS Signalen konnten von Hardwareelementen auf Softwarearbeiten umgewandelt w
196. mt Dies f hrt dazu dass der Preis f r einen derartigen Empf nger wesentlich h her ausf llt als das reine GPS Board Am Bei spiel von Ger ten der Firma NovAtel l sst sich etwa sagen dass ein LI Empf nger mit der Option f r eine RTK F higkeit etwa der FLEXPAK GL mit zugeh riger Antenne ca 5 mal so viel kostet wie ein einfacher LI Empf nger der Serie SUPERSTAR in der SMART ANTENNA Version Wird diese RTK Option freigeschaltet erh hen sich die Kosten noch einmal etwa um den Faktor 2 59 Die Bereitstellung der notwendigen Beobachtungen des Referenz Empf ngers geschieht beim RTK in der Regel in Form von Korrekturdaten f r die Rover Messungen Diese Kor rekturen k nnen dabei im standardisierten RTCM oder einem firmeninternen Format bereitgestellt werden 48 Dies impliziert dass auch als Referenz Ger t ein hochwertiger GPS Empf nger ben tigt wird der diese Korrekturdaten erzeugen kann l Die Begriffe Rover engl Wandernder und Referenz leiten sich zwar grunds tzlich aus einer kinemati schen bewegten Echtzeitanwendung eines GPS Emf ngers ab werden aber im Weiteren allgemein f r die nicht stabilen Objektpunkte und festen Stabilpunkte in einer berwachungsmessung angewendet 12 Programme von Herstellerfirmen etwa Leica Geo Office 40 oder Trimble Geomatics Office 61 oder universelle Auswerteprogramme etwa die Berner Software 62 13 RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services 46 47 Sei
197. mt deren Parameter ge ndert werden k nnen um andere Ergebnisse zu erhalten Die Ergebnisse der Datenaufbereitung aus GrafNav werden unter folgenden Aspekten untersucht a Anzahl fehlgeschlagenen Basislinienberechnungen Standardabweichung der berechneten GPS Koordinaten aus GrafNav gt 0 1 m in Menge und prozentual b mittlere GPS Koordinaten aller Rover Empf nger44 c Anzahl an groben Fehlern innerhalb des Messzeitraums Abweichung zum Mittel wert gt 150 mm in einer der Koordinatenkomponenten in Menge und prozentual d maximale Verbesserungen AX AY AZ der verbleibenden Basislinien zum Mit telwert in mm e empirische Standardabweichung des Einzelwerts sX sY sZ in mm Es ergeben sich folgende Ergebnisse f r die berechneten Basislinien zur Referenz 1000 Tabelle 12 und zur Referenz 1001 Tabelle 13 Rover 2000 13000 4000 5000 6000 7000 18000 9000 fehlgeschlagene 3 14 7 6 3 10 9 4 Berechnungen Prozentual 0 47 2 21 1 10 0 94 0 47 1 58 1 42 0 63 grobe Fehler 0 3 0 0 1 0 0 0 Prozentual 0 0 48 0 0 0 16 0 0 0 Max AX mm 8 6 107 0 22 6 22 7 26 1 27 5 19 2 16 1 Max AY mm 5 5 135 9 10 1 13 2 42 0 15 5 9 0 12 0 Max AZ mm 10 1 225 7 2758 29 8 204 3 135 4 25 6 19 0 sx mm 2 5 103 160 6 5 6 8 7 4 5 4 5 3 sy mm 1 4 9 3 3 4 3 7 3 6 3 5 2 7 3 3 sz mm 2 7 16 8 17 0 17 11 0 17 8 5 9 5 7 Tabelle 12 Ergebnisse der Rover in Bezug auf R
198. munikationsmedien f Ausreichende Daten bertragungsbandbreite drahtloser Kommunikation f r den pa rallelen Einsatz mehrerer Sensorknoten g Ausreichende Auswertekapazit t der Zentralstation f r den Einsatz mehrerer Sen sorknoten 7 1 1 Test zum Temperaturschutz eines Sensorknoten Der Einsatz eines GeoSN kann insbesondere bei der berwachung von Hangrutschungen oder Staumauern in Gebirgsregionen u erst widrige Witterungsbedingungen f r die Sys temkomponenten bedeuten So kann in Gebirgsregionen die Temperatur ber mehrere Wochen weit unter 0 C abfallen Dieser Test ist insbesondere deswegen notwendig da mehrere der in den Knoten eingebauten elektrischen Bauteile gem Spezifikation nur bis 0 C arbeitsf hig sind 93 102 103 104 111 Ebenso problematisch stellen sich hohe Temperaturen in den Sommermonaten dar da sich das Innere der Sensorknotenbeh lter bei intensiver Sonneneinstrahlung stark erw rmt Derartige Effekte sind etwa aus Erfahrungen der Firma Dr Doris Bertges im Betrieb eines geod tischen berwachungssystems an einer Staustufe beim Bau des Gotthard Basistunnels 113 bekannt Da viele der eingesetzten Ger te aber bez glich hoher Tempe raturen einen gr eren Funktionsbereich teilweise bis 50 C 93 102 103 104 111 besitzen muss diesem Funktionstest nicht eine derartig hohe Bedeutung zugewie sen werden wie dem K ltetest In Untersuchungen sollte festgestellt werden ob d
199. n Zwingend notwendig ist allerdings auch bei langsamen Punktbewegungen die Synchronisation aller Messger te der berwachungsmessung insbesondere bei der berwachung identischer Punkte wenn zum Beispiel an einem Punkt eine GPS Prisma Kombination angebracht wird Hierbei bezieht sich eine Tachymetermessung auf die lokale Systemzeit des Tachymeters w h rend eine GPS Messung auf der GPS Systemzeit beruht Eine Integration weiterer Sensoren in den Tachymeter ist ebenfalls m glich wobei es sich dabei in der Regel vor allem um Meteo Sensoren und Voltmeter der internen oder exter nen Spannungsquellen handelt wie etwa beim Zeiss S10 55 Die erzeugten Datenmengen eines Tachymeters sind begrenzt Es werden entweder ledig lich die drei origin ren Messgr en Horizontalrichtung Zenitwinkel und Schr gdistanz oder im Falle einer tachymeterinternen Koordinatenumrechnung ein kartesisches Koordi natentripel X Y Z ausgegeben Bei unmittelbarer Koordinatenausgabe m ssen bereits im Ger t die notwendigen Korrektionen an die origin ren Messwerte angebracht werden bei den Streckenmessungen etwa in Form der Nullpunktkorrektion und der meteorologischen Korrektion Die exakte Berechnung der Korrektionen ist nur m glich wenn dem Ger t die entsprechenden Parameter vorher bermittelt wurden Da die bermittlung der Korrektionsparameter eine zus tzliche Kommunikation notwen dig macht und insbesondere die Formeln zur meteorologischen Korrektion in Tach
200. n Messger ts zur Schlussfolgerung dass der Tachymeter kein Element eines einfachen Sensorknotens sondern eine Spezialform eines Beacon oder Zentral Knotens bildet siehe Kapitel 1 1 und seine zugeh rigen Prismen im Umfeld selbst eine Form von Sensorknoten bilden Eine Tachymeter Prismen Kombination kann dann als eine Spezialform eines GeoSN Knoten in der Weise definiert werden dass sie ein l Knoten Netzwerk bilden 3 1 2 1 Knoten Netzwerk Im Vergleich mit einem WSN besagt der Begriff l Knoten Netzwerk dass an einen Zentralknoten ohne zus tzliche Hardwaremodifikation eine beliebig gro e Anzahl von passiven Sensorknoten angeschlossen werden k nnen In Falle der Tachymetrie berneh men die Prismen die Aufgaben von Sensorknoten in der Form dass sie dem Tachymeter als Zentralknoten den Messwert die Position des Prismas bergeben Die Messwert bertragung findet wie in einem WSN drahtlos statt da sie im Wesentlichen dem Mess strahl vom Tachymeter zum Prisma entspricht Die Adressierung der einzelnen Prismen innerhalb dieses Netzwerkes ist durch ihre Koordinaten geregelt wobei in der Regel zu s tzlich jedem Prisma innerhalb der sp teren Auswertung ein fester Name zugeteilt wird dem die Koordinaten als Zusatzinformationen unterlegt sind Die Nutzung dieser passiven Sensorknoten hat auch den Effekt dass pro neuer Messstelle keine weitere Stromversorgung und Kommunikation geplant werden muss Zus tzlicher Energiebe
201. n eines Objektes erkannt werden Seite 17 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Eine nat rlich auftretende u ere periodische Krafteinwirkung auf ein Objekt die zu Schwingungen anregt ist beispielsweise die Windbewegung Es k nnen aber auch perio dische Kr fte durch bestimmte Formen von Nutzungsbelastung auftreten So k nnen Schwingungen etwa durch eine im Gleichschritt marschierende Marschkolonne oder k nstliche Schwingungsgeber wie Rammmaschinen bei Bauma nahmen entstehen An regungen bei Br cken aufgrund der normalen Verkehrsbelastung sind aufgrund der zu meist ungeordneten Abfolge von Belastungsspitzen eher unwahrscheinlich Besonders genau muss dabei die so genannte Eigen oder Resonanzfrequenz des K rpers untersucht werden Resonanz bedeutet dabei dass das sich deformierende Objekt der Resonator durch eine u ere periodisch auftretende Kraft angeregt wird Entspricht die Frequenz der periodischen u eren Kraft der Eigenfrequenz des Resonators so wird seine Schwingung kontinuierlich bis zu einer mechanischen Belastungsgrenze verst rkt da sich die Wellen st ndig konstruktiv berlagern 17 Eigenfrequenzen k nnen etwa bei Br cken bei 4 Hz liegen 18 Soll das Schwingverhalten eines Objektes im Bereich seiner Eigenfrequenz berwacht werden so muss teilweise mit sehr hohen Datenraten gemessen werden da eine Frequenz nur festgestellt werden kann wenn ihr kontinuierliches Verhalten mit Beobachtungen in
202. n ihm auch gewisse Voraussetzungen bez glich der Hardware sicher gestellt werden Diese werden im Kapitel 4 3 wieder aufgenommen Vor der Betrachtung dieser Kommunikationsspezifikation muss der Vorgang der Daten bergabe von den Applikationen der Quelle und Senke an das Modul untersucht werden Diese Daten bergabe beinhaltet dabei insbesondere die folgenden drei Aspekte 1 Format der Daten 2 Menge der zu bertragenen Daten 3 Ablauf der Daten bertragung einseitig wechselseitig oder gleichzeitig 4 2 Datencodierung durch Applikationen Unabh ngig von den Vorg ngen der Daten bertragung innerhalb des OSI Modells in dem Daten lediglich zum Zwecke der bergabe zwischen den Schichten in Form und Aufbau modifiziert werden muss die Grundform oder das Format der zu bertragenden Daten betrachtet werden da dies die Voraussetzung ihrer Nutzung in den Applikationen von Sender und Empf nger ist Es umschreibt die bereits zu Beginn angesprochene Forderung nach der gleichen Sprache bei Sender und Empf nger die grunds tzlich sichergestellt sein muss Die Datencodierungen innerhalb der sensorseitigen Applikationen sind ber die Firmen programmierung bereits vorgenommen und k nnen in der Regel nicht ge ndert werden Die Implementierung der entsprechenden Codierung muss bei einer Nutzung dieses Sen sors in einer Applikation auf dem Auswerterechner der erste Schritt bei der Programmie rung eigener Software sein Dieses Vorgehen wird
203. n ist die Forderungen nach geringen Rechner und Programmierf higkeiten hnlich denen an den Knoten eines WSN erf llt Diese erm gli chen es das Ger t f r v llig eigenst ndiges Arbeiten zu programmieren und sp tere Ein griffe des Nutzers zu vermeiden Es kann somit festgestellt werden dass moderne geod ti sche Messinstrumente grunds tzlich bereits mehrere F higkeitsanforderungen an einen Sensorknoten erf llen Seite 21 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Gesondert sollten hier die geotechnischen Sensoren betrachtet werden die in ihrer heuti gen Auspr gung als permanente Monitoringsysteme insbesondere f r Staud mme 15 19 bereits in der Bauphase noch st rker als die geod tischen Sensoren dem Ansatz des Sensorknotens entsprechen Derartige Systeme bestehen immer aus sehr einfachen Senso ren ohne eigene F higkeiten zur Signalverarbeitung wie etwa Dehnungsmessstreifen oder Extensometer Die Messungen dieser Sensoren liegen meist in rein analogen Spannungs werten von zum Beispiel kapazitiven Widerst nden vor 42 Angeschlossen werden die Sensoren an eine Loggingeinheit 43 die zun chst die Signalverarbeitung mittels A D Wandler und anschlie end die Messwertgenerierung mit entsprechend vorkonfigurierter und auf den angeschlossenen Sensor kalibrierter Berechnungsfunktionen durchf hrt siehe Anlage 7 um die Messdaten zum Beispiel in eine L ngeneinheit umzurechnen 42 44 Die Forderung dass an einen
204. n repr sentativen Punkten des Objektes angebracht werden Diese Forderung nach geplanter Anbringung am Objekt bedeutet eine Abkehr von der urspr nglichen Forderung nach ungeplanter Ausbringung der Knoten in einem WSN Zus tzlich kommt die Forde rung nach der F higkeit zur Positionsbestimmung f r die Sensorknoten noch hinzu Methoden der Positionierung innerhalb der Netzwerktopologie die ber die L ngen der Funkstrecken realisiert werden erm glichen die Bestimmung lokaler Koordinaten der Knoten innerhalb des Netzwerkes Die Abstandsbestimmungen im Funknetz finden zu meist ber Signalst rken statt Um das Netz in sich zu fixieren ist es erforderlich dass eine gewisse Menge der Sensoren eigenst ndig Positionen bestimmen 5 11 Derarti ge Netzf higkeiten stellen allerdings wesentlich h here Anforderungen an die drahtlose Seite 22 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Daten bertragung Au erdem sind derartige Positionsbestimmungen mit den derzeitigen Technologien f r eine Anwendung bei geod tischen berwachungsmessungen zu unge nau was f r ein GeoSN notwendige Positionierungsf higkeiten aller Knoten bedeutet Soll dies mit GPS realisiert werden bedeutet dies f r den Sensor einen Aufbau mit freier Himmelssicht Positionsbestimmungen mit Tachymetrie erfordern optische Sichtverbin dung zum Tachymeter Eine Adaption eines geotechnischen Sensors ist zwar von dieser Forderung nach genauer Positionsbestimmung ausgenom
205. n sich als autarke Knoten vom Typ 1 siehe Abbildung 27 dar die in Containeraufbauten reali siert wurden Die Weiterleitung der GPS Messdaten der Sensorknoten 3 4 und 5 sowie des unmittelbar angeschlossenen Empf ngers vom Typ NovAtel OEM3 MilLenium ProPak Referenz 1001 geschieht ber den Rechner des Sensorknoten 2 Repeater Rechner An diesen Rechner ist der OEM3 Empf nger ber eine serielle Schnittstelle angeschlossen Die Ver bindung zur Root Bridge ist mittels einer USB Dockingstation mit integriertem Netz werkanschluss hergestellt Auf diesem Rechner laufen insgesamt 5 LabVIEW Programme parallel die zun chst die Socket Verbindungen zu den COM Servern in den Sensorknoten ber das WLAN sowie die serielle Verbindung herstellen und diese Verbindungen an schlie end in Ports der eigenen zugewiesenen Hochschul IP Adresse des Repeater Rechners umwandelten Auf diese neu spezifizierten Sockets greift die Zentralstation zu und der Repeater Rechner leitet anschlie end ber die LabVIEW Programme die Befehle und Daten zwischen Zentralstation und Sensorknoten weiter Es ergeben sich dabei trotz einer Aufzeichnungsrate von 1Hz pro Empf nger keinerlei negative Effekte bez glich zu geringer Bandbreite oder Datenkorruption bei parallelem Datenempfang Hieran zeigen sich deutlich die Vorteile eines WLAN gegen ber der Nut zung von Datenfunk siehe Kapitel 4 3 3 2 1 bei der Notwendigkeit von permanenter Da ten bertragung 7 2 2 Untersuchu
206. ndert kein Warten auf die Ausf h rung des Batch Befehls und dass das aufgerufene Programm ggf mehrere Dateien umwandeln muss Die parallele Nutzung des LabVIEW und Waypoint Programms beeinflusst die Systemressourcen des Zentralstationsrechners es muss darauf geachtet werden dass das Waypoint Programm die weitere Ausf hrung des Lab VIEW Programms nicht zu stark behindert Nach dem Anlegen einer neuen Datei m ssen wiederum Ephemeriden f r diese Messungen aufgezeichnet werden dazu wird erneut der Aufzeich nungsbefehl f r Ephemeriden aus Punkt 2 4 an den Sensor gesendet 2 Speichern der gefundenen Nachricht aus 3 5 in der aktuellen Speicherdatei 3 ggf Updaten der derzeitigen Informationen des Sensors in Bezug auf Zeit und Po sition innerhalb des Clusters aus 2 5 4 Test auf Datumswechsel Neben der Datenaufzeichnung der Rohdaten wird permanent ber die Rechneruhr zeit gepr ft ob ein Datumswechsel stattgefunden hat ist dies der Fall so wird eine neue gka Datei f r das Programm GOCA gem 2 6 angelegt Existierte schon Seite 146 GeoSN UniBw Anlage 5 eine gka Datei Abfrage ber eine globale Variable so wird diese mit der zugeh rigen Beendigungszeile abgeschlossen 32 5 Vergleich von Eingangs und Ausgangsdaten der Lesen amp Speichern Routine Die Programmschritte 3 und 4 stellen den laufenden Betrieb des Loggingprogramms si cher und d rfen nicht unterbrochen werden Die Schritte 5 bis
207. ner digitalen Information d Transport der digitalen Daten ber ein weiteres Kommunikationsmedium e Ablegen der Daten in einem Datenspeicher Software kommt hier allein in Form von Steuerungssoftware f r die Hardware vor und spielt in diesem Punkt in so fern keine separate Rolle da Steuersoftware als der Hardware zugeh rig gelten muss Der Prozess der Datenerfassung darf an keiner Stelle unterbrochen oder gest rt werden da ansonsten die Daten verloren gehen oder verf lscht werden k nnen Eine Verf lschung ist dabei ein sehr problematisches Ereignis wenn sie zun chst nicht als solche erkennbar ist und nur ber nachgeordnete Algorithmen entdeckt werden kann S Daten Informations Daten Signalver Daten Datenspei aufnahme bertragung 1 arbeitung bertragung 2 cherung Abbildung 4 Bestandteile der Datenerfassung Die Sensorinformationen werden auch Rohdaten genannt da sie bis auf die Signalvorve rarbeitung im A D Wandler nicht durch Software ver ndert wurden Da der Bereich der Datenerfassung im Wesentlichen die Hardware beinhaltet f llt in die sen Aspekt auch die Konzeption der physikalischen Realisierung des Messsystems Diese Konzeption muss Umfang und Art der Sensorik und deren Kombination mit A D Wandlern sowie die Kommunikation sowie ihre Adaption an das Objekt umfassen Seite 14 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Hier kann wenig Standardisierungswissen einflie en da die Konzeptionen immer v
208. ng der Koordinaten aller im System genutzten Referenzstationen und eine optimal an das Projekt angepasste Wahl der Prozessierungsparameter in GrafNav ist somit Seite 119 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw notwendig und kann nach der Systemeinrichtung etwa durch eine vom GeoSN unabh ngi ge Prozessierung des gesamten Netzes sichergestellt werden Die Optimierung der Prozes sierungsparameter innerhalb von GrafNav wurde in diesen Tests nicht vorgenommen da die Qualit t der Ergebnisse trotz allem bereits sehr hoch ist Derartige Ma nahmen m s sen bei nachfolgenden weiteren Umsetzungen des GeoSN durchgef hrt werden Im zweiten Schritt folgen die Betrachtungen der Ergebnisse der Datenauswertung inner halb von GOCA Im GOCA Programm k nnen in der lInitialisierung eines Projektes der nachfolgenden Analyse der Beobachtungsdaten verschiedene Bereinigungs und Mitte lungsoperatoren zugeordnet werden 32 Zun chst k nnen ber definierte Bereinigungs operatoren solche Basislinien aus den GKA Dateien herausgefiltert werden die den Nut zeranforderungen nicht gen gen etwa anhand einer minimalen Anzahl von Satelliten oder zu gro en Werten innerhalb der Kovarianzmatrix Au erdem k nnen einzelne Beobach tungen ber maximale Differenzen zu den Koordinatenwerten einer bestimmten Anzahl vorangegangener Beobachtungen als Ausrei er identifiziert und herausgefiltert werden Anschlie end werden die verbleibend
209. ng des Systems 2 Systemteil Datenerfassung und Kommunikation Schleifengesteuerte Abfrage der Sensorknoten Analyse der bin ren Nachrichten auf Inhalt und zugeh rige Kontrollmechanis men Zeitgesteuertes Anlegen von Dateien z B 15 Minuten Intervalle 3 Systemteil Datenaufbereitung Seite 98 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Zeitgesteuerte Rohdatenkonvertierung und Basislinienberechnung mit GrafNav 4 Systemteil Datenauswertung bergabe der Ergebnisse an GOCA Initialisierung Datenerfassung und Kommunikation Sensorabfrage Nachrichten pr fung und kombination Datenaufbereitung Datenspeicherung Datenkonvertierung Datenprozessierung Datenauswertung e Datenweitergabe Abbildung 29 Systemprogramm GeoSN UniBw 6 2 1 Initialisierung des Systems Die Sensoren in einem GeoSN lassen sich in der Regel nicht f r einen vollst ndig autar ken Betrieb nach dem Ausbringen konfigurieren Folgende Aspekte der Sensoren sind entweder nicht komplett zu automatisieren oder sollen variabel bleiben um im Betrieb des GeoSN angepasst zu werden a Einstellung zur Datenmenge Datenrate b Aufzeichnung von Nachrichten im Dialog Ephemeriden bei GPS tachymetrische Messungen abh ngig vom tats chlichen Aufbaustandpunkt und der aktuellen Messsituation c Bereitstellung von bergabeparametern aus den Sensornachrichten f r die nach folgende A
210. ng l ngerer Strecken wird das WLAN Prinzip genutzt da es gegen ber Datenfunk und Bluetooth eindeutige Vorteile bei Reichweite Daten bertragungsrate und Adressierbarkeit aufweist Kommunikations m glichkeiten f r drahtlose Sensornetzwerke werden etwa durch das Internetangebot des Sensor Magazine Online mit einigen Beispielen erl utert wobei der WLAN Standard bereits f r Anwendungen mit sehr hoch aufl senden Sensoren siehe GPS Rohdaten bertragung im Kapitel 3 2 3 und Video bertragungen siehe 3 5 favorisiert wird Web 21 Seite 77 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Das ingenieurgeod tische berwachungssystem GeoSN UniBw ist modular aufgebaut siehe Kapitel 2 2 Datenerfassung und Datenaufbereitung sind von der nachfolgenden Auswertung getrennt In die Auswertung ist das Programm GOCA integriert dessen Nut zung aufgrund der offenen Datenschnittstelle der GKA Messwertdatei 32 m glich ist Die Realisierung der Datenerfassung im System UniBw muss unter den Gesichtspunkten der genutzten Hardware und der genutzten Software betrachtet werden Die Hardware unterteilt sich dabei noch einmal in die Sensorik und die Kommunikation innerhalb der Sensorknoten sowie die Zentralstation des Systems Die Datenerfassung ist weitestgehend in Netzwerkstrukturen von Sensorknoten und einer Zentralstation analog zu der Konzeption eines WSN realisiert siehe Abbildung 23
211. ng zu den eingesetzten WLAN Ger ten der Firma Cisco Systems siehe Tabelle 11 wird versichert dass Reichweiten ber mehrere Kilometer mit Hilfe von WLAN m glich sind 108 Im System GeoSN UniBw wurden zun chst nur Kommunika tionsreichweiten bis zu 1000 Metern bez glich der drahtlosen Funk bertragung ange strebt Es wurden im Testaufbau Reichweiten von 400 und 600 Metern realisiert Fehlerhafte Verbindungen bei der Nutzung von WLAN ergeben sich durch Hindernisse in der Fresnelschen Zone siehe Abbildung 22 Dieses Ph nomen trat auch im Testaufbau zur Daten bertragung im GeoSN UniBw auf als eine WLAN Verbindung zwischen der Zentralstation und einem abgesetzten Sensorknoten hergestellt werden sollte Ein Geb ude verhinderte dabei die direkte Sicht Die Problematik konnte allerdings dadurch gel st werden dass die Verbindung zwischen den beiden Ger ten ber eine Repeater Bridge siehe Abbildung 21 umgeleitet werden konnte Der erh hte Aufbau der Repeater Bridge realisierte dabei eine direkte Sicht sowohl zur Zentralstation als auch zum Sensorknoten Die Einbindung derartiger Repeater erm glicht somit eine einfach realisierbare Kompen sation des Zwangs der direkten Sichtverbindung zwischen den WLAN Elementen sowie eine Signalverst rkung auf gr eren Strecken Die genaue Durchf hrung des Tests ist der Anlage 2 zu entnehmen 7 1 6 Ausreichende Daten bertragungsbandbreite Die bertragungsbandbreite der drahtlosen Kommunikation war
212. ngegen gibt die Streckenmessungen in der Einheit Millimeter bis auf die tausendstel Nachkommastelle aus Bei geotechnischen Sensor Logger Kombinationen ist die Betrachtung von Einheit und Gr e noch wichtiger denn hier muss der Nutzer im Zuge der Programmierung der A D Wandlung eines Sensoranschlusses selbst konfigurieren welche Einheit und Gr e der angeschlossene Sensor liefert Beispielsweise liefern sowohl ein Temperaturf hler als auch ein Extensometer zun chst rein elektrische Signale Eine Programmierung einer der artigen Messstelle ist in Anlage 7 erl utert Zusammenfassend bleibt zu sagen dass eine ASCII basierte Kommunikation ber eine serielle Schnittstelle die von der Masse der gem Kapitel 3 betrachteten Sensoren ge nutzt wird leicht zu realisieren ist ASCII Befehle k nnen ber Terminal Programme un mittelbar bergeben werden und die ASCI Antwortstrings lassen sich anschlie end leicht zerlegen und f r weitere Nutzung umformatieren Seite 54 Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN GeoSN UniBw ITHADO ITHADO ITHIDO IIHI90 uoyptezpug u yporz Ios uasa y pw SJTSZUSPEIO ueyorazJeo TO u qegsyong uepatyosJo AO usdeyjgy uoa BunIstunm Bolgo Zunpueajeusis Bund 10sI3AWO Ng uojjejspruyag G F Jop uns rsye puro ayuu oT mD Fr ZUZAIN 1218079 LZ t aya s PUNOJ GFI WI USEPSSSPIO USYDTSZUU31LO USU2T3ZI83TO ojysJsgferzadso ajyazaqssepq my TO usge3urg m
213. ngen zur Genauigkeit und Zuverl ssigkeit Nachdem das System gem der Spezifikationen in 7 2 1 1 und 7 2 1 2 hergestellt worden war wurden ber den Zeitraum der Woche vom 02 07 09 15 bis 08 07 2006 23 59 Daten aller 8 Rover erfasst Alle GPS Empf nger waren unter weitgehend optimalen Messbedin gungen mit minimalen Abschattungen im Messumfeld installiert worden so dass f r alle Ger te eine Standard Elevationsmaske von 10 in der Konfiguration vorgegeben werden konnte Es wurden die GPS Rohdaten in den in Anlage 5 angesprochenen 15 Minuten Dateien aufgezeichnet und diese mit GrafNav ausgewertet wobei grunds tzlich die Basis linien der Rover zu beiden Referenzempf ngern berechnet wurden Die Ergebnisse wur den anschlie end in entsprechende Tages GKA Dateien f r eine Auswertung mit GOCA Bezeichnung aus der Konfigurationsoberfl che f r Bridges der Firma Cisco Systems Seite 117 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw abgespeichert Das Programm GOCA lief parallel auf einem GOCA Auswerterechner Aus dem Messzeitraum ergeben sich n 634 Epochen Die Untersuchungen werden in zwei Schritten durchgef hrt Zun chst werden die Zwi schenergebnisse der Datenaufbereitung ber GrafNav berechnete GPS Basislinien be trachtet Anschlie end werden die Ergebnisse der Datenauswertung innerhalb von GOCA analysiert Diese zweigeteilte Betrachtung ist sinnvoll da in beiden Schritten Software zum Einsatz kom
214. nhalt der zu bermittelten Daten mittels einer speziellen Methode z B Aufsummierung aller enthaltenen Bytes zusammengefasst ist Wird der Nachrichteninhalt an der Datensenke nach dem identischen Verfahren erneut zusammengefasst lassen sich bei der bertragung aufgetretene Verf lschungen der Da ten feststellen Client Teilnehmer an einem Netzwerk 1 d R drahtgebundenes Ethernet Netzwerk Bei Nutzung eines drahtlosen Netz werks siehe WLAN Client Communication COM Eine serielle Schnittstelle i d R RS232 eines Rechners Schnittstelle oder Messinstruments Die h ufigste Auspr gung bei Stecker und Buchse des Anschlusses ist D Sub 9 Bei RS232 sind i d R bertragungsraten zwischen 800 und 460800 Bps m glich COM Server Ger t das die Umwandlung serieller Signale in TCP IP Signale ber die Bereitstellung spezieller TCP IP Ports erm glicht COM Server erlauben die Einbindung von Instrumenten mit seriellen Schnittstellen in ein TCP IP Netzwerk Dynamic Host DHCP System zur automatischen Zuweisung von IP Adressen an Configuration Clients durch einen Server Web 23 Protocol D shaped sub D Sub Steckverbindertyp f r serielle Kommunikation H ufig miniature auch mit Sub D bezeichnet Steckverbinder F r verschiedene Gr en z B D Sub 9 oder D Sub 15 und den jeweilig genutzten COM Standard z B RS232 oder RS485 gibt es definierte Belegungen der einzelnen Pins f r Daten Steuer und Stormleitungen
215. nikation ist es erforderlich vom seriellen Protokoll der Sensoren auf das TCP IP Protokoll siehe Kapitel 4 3 2 zu wechseln Diese Umsetzung wird mittels zus tzlicher Hardwarekomponenten den so genannten COM Servern oder mit Hilfe eines zwischengeschalteten Rechners realisiert Diese Ger te bilden die Middleware um die seriellen RS232 Nachrichten in TCP IP Nachrichten eines entsprechenden TCP IP Ports umzuwandeln Hardwareseitig besitzen diese Instrumente jeweils einen RJ45 Anschluss f r ein TP Netzwerkkabel und mindestens einen seriellen Anschluss zumeist D Sub 9 Die integ rierte Rechnerplatine enth lt die auf einem EEPROM gespeicherte tats chliche Middlewa re die die Signalstrukturen von seriellen in Ethernet Signale umwandelt und diesen einen festen Port bzw Socket zuweist siehe Kapitel 4 3 2 2 Vereinzelt besitzen COM Server auch die M glichkeit ber eine integrierte WLAN Komponente oder eine entsprechende Erweiterung etwa eine WLAN PCMCIA Karte sich drahtlos einem WLAN anzuschlie en Ferner ist der Anschluss an ein drahtgebundenes LAN ber den RJ45 Anschluss m glich Die Konfigurationen der COM Server werden entweder ber ein Terminal Programm etwa das Microsoft HyperTerminal bei unmittelbarem Anschluss des Ger ts an eine serielle Schnittstelle oder bei bereits bekannter Internetadresse und Einbindung in einem Netzwerk ber das Programm Telnet vorgenommen Einige Empf nger bieten au erdem graphische Interaktions
216. nisse werden an die aktuelle GKA Datei angeh ngt Die Aufbereitung der Ergebnisse aus GrafNav f r GOCA umfasst schlie lich noch die Multiplikation der Elemente der Kovarianzmatrix mit dem Skalierungsfaktor 1000 32 Im Zuge dieser weiteren Datenaufbereitung durch LabVIEW werden alle bei der GrafNav Prozessierung erzeugten bzw f r diese Berechnung konvertierten Dateien mit Ausnahme der Ergebnisdatei gel scht um keine redundanten Daten zu erhalten Eine nachtr gliche Prozessierung ist durch ein erneutes Konvertieren der Rohdaten Dateien und Erzeugen eines weiteren GrafNav Projektes jederzeit m glich Durch die st ndige Daten bertragung der erzeugten Sensornachrichten bzw die Datenhal tung unvollst ndiger Nachrichten im Systemspeicher sowie parallel ablaufende Prozessie rungen mit externen Programmen ist ein sicheres Management der System und Kommu nikationsressourcen des Zentralrechners zwingend erforderlich und eine Erweiterung des GeoSN Systems um zus tzliche Sensorknoten nicht ohne entsprechende Planungen m g lich Der Umfang des Systems ist somit nicht allein von den in Kapitel 5 erl uterten Hardwareparametern sondern auch insbesondere von der Geschwindigkeit der zugeh ri gen Steuersoftware auf der Zentralstation abh ngig Seite 106 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw A Abbildung 32 Blockdiagramm Datenaufbereitung Seite 107 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung d
217. nsoren zur Erfassung geometrischer Gr en sind in der Regel relativ arbeitende Sensoren die lediglich Ver nderungen einer in der Regel eindimensionalen Messgr e aufzeichnen Die beobachteten Gr en sind zum einen L ngen nderungen die insbesondere mit Exten sometern aufgezeichnet werden Die Ver nderung entspricht tats chlich der L ngen nde rung eines Raumvektors der durch die Adaption des Ger tes am berwachten Objekt und dessen Objektkoordinatensystem definiert ist Eine Messung der Ver nderung einer metrischen Gr e wird auch bei der Schlauchwaa genmessung angewendet Anders als beim Extensometer ist hier der Raumvektor des Messger tes allerdings durch das Messprinzip bereits festgelegt Eine weitere Form der lotbezogenen Messung ist die Verschiebungsmessung mit Hilfe eines Laser oder Drahtlotes Das Vorgehen dabei ist einen Endpunkt der Lotungslinie als fest anzunehmen und die relative Verschiebung in der Ebene des anderen Punkt dazu zu messen Neben metrischen Gr en werden mit geotechnischen Sensoren insbesondere Neigungen erfasst hnlich wie die Wassers ule in der Schlauchwaage sind die Beobachtungen von Neigungen in der Regel am Lot orientiert da Neigungen in der horizontalen Ebene zu meist mit Fl ssigkeitsneigungssensoren festgestellt werden Ein Ansatz ist dabei die Mes 14 Bps Bits per second siehe auch Glossar Anlage 10 Seite 40 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN sung de
218. ntersu chungen durchgef hrt a Realisierung eines kompletten Systemaufbaus b Analyse der F higkeiten des System zum Aufdecken von Bewegungen Auswertegenauigkeit bei stabilen Objektpunkten Aufdeckung und Bewertung periodischer Erscheinungen Gegen berstellung beobachteter und simulierter Bewegungen in einem Soll Ist Vergleich 7 2 1 Realisierung eines Systemaufbaus Im Testaufbau zur berpr fung der Kommunikationsmedien und Sensoren wurde folgen de Konstellation gew hlt a Implementierung einer Zentralstation mit zwei Netzwerkanbindungen zum einen an ein WLAN und zum anderen an das Internet ber Hochschulnetzwerk der UniBw b Anbindung von Sensoren an die seriellen Schnittstellen der Zentralstation mit RS232 Kabeln c Aufbau eines WLAN SSID GEOSN UNIBWI mit direkter Verbindung zur Zentralstation d Nutzung dieser WLAN Verbindung zu einem Sensorknoten Knoten 1 ber ent sprechende WLAN Hardware Seite 113 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw e Integration einer drahtgebundenen LAN Verbindung ber Glasfaser und Twisted Pair Hochschulnetzwerk zu einem Repeater Rechner42 Knoten f Anbindung von Sensoren an die seriellen Schnittstellen des Repeater Rechners mit RS232 Kabeln g Aufbau eines zweiten WLAN SSID GEOSN UNIBW2 mit Verbindung zum Repeater Rechner h Erweiterung des WLAN ber einen Sensorknoten Knoten5 mit integrierter Re peater Bridge auf
219. nzahl seriellen Schnittstellen an der Zentralstation des Kapitels 5 1 deutlich Eine kabelgebundene serielle Verbindung die eine berbr ckung von Strecken bis zu ca 50 Metern mit reiner RS232 Verbindung oder bis zu 1 5 km bei der Nutzung von RS485 erm glicht eignet sich insbesondere f r GPS Referenzstationen und Tachymeter da diese ggf nahe der Zentralstation aufgebaut werden k nnen Bei dieser Form des Anschlusses ist neben dem Kabel keine zus tzliche Hardware notwendig Seite 84 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw 5 3 2 Datenfunk Datenfunk wird im GeoSN nur in Ausnahmef llen eingesetzt da die drahtlose bertra gung mit WLAN gem Kapitel 4 4 deutliche Vorteile hat Trotzdem soll ihre Konfigura tion hier angesprochen werden Bei der berbr ckung l ngerer serieller Verbindungen mit Datenfunkger ten m ssen die se f r die Nutzung zun chst hnlich wie die Sensoren auf die Schnittstellengeschwindig keit von Sensor und Rechner abgestimmt werden Dabei ist zu beachten dass es ggf Un terschiede zwischen der kabelgebundenen Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen DTE Sensor und DCE Datenfunkger t und der drahtlosen bertragungsrate zwischen den DCEs Funkger te am Sensor und an der Zentralstation geben kann Da Datenfunk ger te in der Regel keine manuellen Bedienfelder besitzen m ssen sie hnlich wie die Sensoren siehe Kapitel 5 2 ber entsprechende Software konfiguriert werden
220. okalen Hochwert analysiert werden Seite 126 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Ereignisse f r Rover 5000 Ereignis Datum Uhrzeit Hochwert Rover 5000 Start der Bewegung 23 06 2006 08 15 1 Verfahren 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 08 15 09 45 Fahrzeit 1 h 30 min minimaler Hochwert 23 06 2006 80 0 mm erreicht 09 45 2 Motorbewegung 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 09 45 12 30 Fahrzeit 2 h 45 min maximaler Hochwert 23 06 2006 250 0 mm erreicht 12 30 3 Motorbewegung 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 12 30 15 15 Fahrzeit 2 h 45 min minimaler Hochwert 23 06 2006 80 0 mm erreicht 15 15 4 Motorbewegung 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 15 15 18 00 Fahrzeit 2 h 45 min maximaler Hochwert 23 06 2006 250 0 mm erreicht 18 00 5 Motorbewegung 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 18 00 20 45 Fahrzeit 2 h 45 min minimaler Hochwert 23 06 2006 80 0 mm erreicht 20 45 6 Motorbewegung 23 06 2006 Ver nderung um 30 mm alle 15 min 20 45 22 30 Fahrzeit 1 h 30 min Wendepunkt 23 06 2006 130 0 mm 22 30 7 Motorbewegung 23 06 2006 22 30 24 06 2006 00 15 Ver nderung um 30 mm alle 15 min Fahrzeit 1 h 30 min minimaler Hochwert 24 06 2006 80 0 mm erreicht 00 15 13 45 Motorstillstand 8 Motorbewe
221. olgeger t SMART V1 ANTENNA wird als potentiel ler Sensor f r eine Weiterentwicklung des GeoSN UniBw ebenfalls vorgestellt Spezifikationen SMART SMART VI ANTENNA ANTENNA GNSS System GPS GPS GLONASS Empf ngerboard SUPERSTAR II OEMV IG Anzahl Kan le 12 L1 GPS 14 L1 GPS 12 LI GLONASS Genauigkeit der lcmrms 0 15 cm rms Tr gerphasenmes sung Datenrate max 10 Hz max 20 Hz Stromversorgung 9 24 V 9 24 V Stromverbrauch 1 4 W 1 2 W Schnittstellen RS 232 RS 422 RS 232 RS 422 USB Schutz gegen MIL STD 810E MIL STD 810F u ere Einfl sse Tabelle 8 Spezifikationen der NovAtel SMART und SMART V1 ANTENNA Seite 80 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw Die SMART ANTENNA bietet insbesondere folgende F higkeiten a Kombination aus NovAtel SUPERSTAR I Board und einer aktiven GPS L1 Patch Antenne mit hoher Signalempfindlichkeit und geringem Strom verbrauch b gekapselte Bauweise nach MIL STD810E Standard 97 zum Schutz vor u e ren Witterungseinfl ssen c Tr gerphasenmessung bis 10 Hz der GPS L1 Frequenz zur Berechnung von hoch genauer GPS Basislinien d Kosten von unter 1000 Euro pro Ger t e Optional RTK F higkeit im Bereich 20 cm GLONASS Integration in der Version mit OEMV Board SMART V 1 ANTENNA beachte Preissteige rung der V 1 ANTENNA zur normalen SMART ANTENNA um mindestens den Faktor 2 Die Kosten dieses Empf n
222. on auf OS2 verarbeitet worden ist reagiert OS2 wiederum mit der Versendung eines Daten pakets Dabei wird OS2 zur Quelle und OS1 zur Senke siehe Abbildung 14 Generierung von Paket 1 Applikation Keine j Applikation Kommunikation Quelle Senke Einwegkommunikation Applikation gt Datenpaket 1 Applikation Verarbeitung von Paket 1 Generierung von Paket 2 HERR Keine ar Applikation EURER ER EN Applikation Senke Quelle Einwegkommunikation Applikation Datenpaket 2 Applikation Abbildung 14 Half Duplex Kommunikation beim Polling Beim Polling ist generell eine Reaktion seitens OS2 auf jedes Paket von OS1 gefordert entweder in Form der Quittierung einer Mitteilung der Reaktion auf einen Befehl oder einer Fehlermeldung falls ein Befehl nicht ausgef hrt oder verarbeitet werden konnte Beim Polling gibt es nur die Zust nde Keine Kommunikation in den Arbeitszeitr umen der Applikationen auf den OS und Einwegkommunikation wenn ein OS Senke und das andere Quelle ist Polling Daten bertragung tritt bei den Sensoren eines GeoSN insbeson dere bei den optisch messenden Sensoren auf die wie im Kapitel 3 1 bereits beschrieben Seite 59 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN in der Regel auf Fernsteuerung angewiesen sind Da der Master immer auf die Quittierung des Slaves f r einen Befehl warten muss ist der Kommunikationskanal m glicherweise auch in den Ze
223. on dem zu beobachtenden Messobjekt abh ngen und somit sehr verschieden sind Die Kon zeption umfasst beispielsweise die Anzahl und Art der genutzten Sensoren die Abtastrate und die Genauigkeit der untersuchten Gr en Dem Aspekt der Konzeption muss insbesondere deshalb ein spezielles Augenmerk ge schenkt werden da eine nachtr gliche Datenerfassung in den seltensten F llen m glich ist und eine erst in den nachfolgenden Schritten erkannte fehlende Information m glicher weise die gesamte Weiterverarbeitung der Daten behindern oder unm glich machen kann Au erdem ist hier der rein physikalische Aspekt der Daten bertragung vom Sensor bis zum Speicher zu realisieren der den ersten und sp ter nicht mehr beeinflussbaren Anteil der Zeitdifferenz von der Aufnahme einer Information bis zu ihrer Bereitstellung f r die Auswertung einnimmt 2 2 2 Datenaufbereitung Die Datenaufbereitung die in den Bereich der Software f llt formt aus den Rohdaten neue Daten die die Informationen beinhalten die f r die anschlie end folgende Auswer tung von Interesse sind Hierbei werden entweder die Rohdaten komplett umgeformt und gehen im Prozess der Aufbereitung verloren oder es werden nur Aussagen aus Ihnen abge leitet ohne sie selbst zu ver ndern Die Datenaufbereitung kann dabei mehrere Schritte durchlaufen in denen m glicherweise auch Informationen verschiedener Sensoren kom biniert werden Im Verlauf der Datenaufbereitung muss die Entscheidung
224. oren eines GeoSN werden anders als bei einem WSN bei dem die Knoten unmittelbar nach Ausbringung vollst ndig autark sind siehe Kapitel 1 1 die endg ltigen Initialisierungen erst im eigentlichen Betrieb des Systems siehe Kapitel 6 2 1 vorge nommen Trotzdem sind die wichtigsten Festlegungen zwingenderma en bereits vor Pro grammstart zu t tigen Zu diesem Zweck kommen Konfigurationsprogramme der Herstel ler der integrierten Hardwarekomponenten zum Einsatz Den GPS Empf ngern siehe Kapitel 5 2 und den Kommunikationsger te siehe Kapitel 5 3 werden einige grundle gende Eigenschaften vorgegeben die f r jeden Einsatz des GeoSN erforderlich sind Durch die anschlie ende Speicherung dieser Vorgaben im nicht fl chtigen Speicher der Hardware behalten sie diese auch nach dem Abschalten bei und sie k nnen bei Programm start bzw bei Neustart einer Komponente etwa nach einem Stromausfall als vorhanden angenommen werden Dies betrifft insbesondere Netzwerk oder Funkadressen der Kom munikationsmedien und die Schnittstellengeschwindigkeiten der seriellen Kommunikati on da diese nicht oder nur mit erh htem Aufwand im sp teren Betrieb ge ndert werden k nnen Neben den firmeneigenen Programmen werden insbesondere bei den netzwerkbasierten Kommunikationsmedien GUIs in Internetbrowsern wie etwa dem Microsoft Internet Ex plorer und das Programm Telnet genutzt Die Vorgaben vor Programmstart umfassen folgende Parameter a Kommunikations
225. orgung an der Zentralstation sichergestellt werden kann Die M glichkeit des Anschlusses von USB Ger ten und die fast unbeschr nkte Erweiterungsm glichkeit mit Hilfe von Hubs machen sie f r die Systemerweiterung besser nutzbar als die PCI Steckkarten Insbesonde re USB Port Replikatoren z B 94 und USB Docking Stationen z B 95 sind hierf r interessant da sie mehrere zus tzliche Anschl sse etwa gleichzeitig USB RS232 und RJ45 bei der Docking Station in einem Ger t bieten Im Testbetrieb des GeoSN UniBw wurde ein Pentium II PC genutzt dessen Hardware sowohl um eine PCI Steckkarte als auch um USB Erweiterungen erg nzt wurde siehe Kapitel 7 2 1 1 5 2 Sensorik Im System UniBw soll die M glichkeit bestehen alle im Kapitel 3 angesprochenen Sen sortypen einzusetzen Da die endg ltige Entscheidung ber die in einem zu realisierenden System eingesetzten Sensoren allerdings erst bei dessen Implementierung f llt und gr t m gliche Flexibilit t gew hrleistet sein soll wurden zun chst die GPS Sensoren integ riert die an ein System die h chsten Anforderungen stellen siehe Kapitel 3 4 Neben den hohen Anforderungen an die Software fiel die Wahl in erster Linie auf die Low Cost GPS Empf nger da sie am ehesten die Anforderungen an die Sensoren eines GeoSN er f llen 5 2 1 Low Cost GPS Empf nger Als Standardsensorik wurden SMART ANTENNA s der Firma NovAtel 96 gew hlt Das seit Oktober 2007 verf gbare Nachf
226. ormation zu Position und Farbton eines Bild pixels enthalten In der Codierungs Thematik sind nationale und internationale Normungseinrichtungen t tig wie die amerikanischen Einrichtungen IEEE und ANSI oder das DIN Vom ANSI wurde etwa der ASCII Code entwickelt der von der DIN um die Umlaute erweitert wurde Anders als Buchstaben chars die zumeist im ASCII Code vorliegen besitzen Zahlen neben ihrer ASCH Darstellung noch zus tzliche Codierungen die insbesondere vom Computerhersteller IBM und dem IEEE entwickelt wurden Diese Codierungen erlauben es verschiedene Zahlentypen wie positive ganze Zahlen unsigned integer ganze Zahlen integer long short oder Kommazahlen float single double aus einem Bytestring abzu leiten Die einfachste Form ist dabei die ganzzahlige Zahl unsigned integer in der sich eine Zahl nach folgender Formel ergibt ZEIT bia 4 1 wobei n die Anzahl der Bits des Strings wiedergibt und bit den bin ren Wert 0 oder 1 des Bits der Position i Derartige Zahlen werden zumeist in Gr en bis 32 Bit wiedergegeben TEEE Institute of Electrical and Electronical Engineers ANSI American National Standards Institute DIN Deutschen Institut f r Normung Seite 50 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Ebenfalls 32 Bit umfasst eine reelle Zahl vom Typ Float in der sich der Wert mit Hilfe von Z Sign l mantissa De 42 Sign wenn bit 1 ist und
227. oten ist die Funktionalit t zu berpr fen die das pa rallele Handling von Ger ten unterschiedlichen Typs an multiplen Schnittstellenanschl s sen eines COM Servers im Falle des MSS VIA COM Server zwei serielle Anschl sse betrifft In den eingesetzten Sensorknoten werden die Informationen des Solar Ladereglers und die Daten einer angeschlossenen SMART ANTENNA bertragen Der Anschluss der beiden Ger te stellt sich dabei komplett unterschiedlich dar a Schnittstelleneinstellungen 19200 Bps 8 Datenbits 1 Stopbit und keine Parit t f r GPS 2400 Bps 8 Datenbits 1 Stopbit und gerade Parit t f r Laderegler b Daten bertragungsform Full Duplex f r GPS M glichkeit f r Befehle seitens des Steuerprogramms bei paralleler permanenter Datenaufzeichnung Half Duplex f r Laderegler Informationen werden lediglich als Reaktion auf ei nen Polling Befehl ausgegeben c Datenformat Bin res Datenformat f r die Messungen und Befehle des GPS Sensors ASCH Befehle und Antworten f r den Laderegler Alle Forderungen konnten durch den COM Server erf llt werden so dass zum einen ein paralleler Betrieb verschiedener Ger te an einem Server m glich und zum anderen die Seite 111 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Daten bertragung mehrerer Sensoren ber eine WLAN Verbindung realisierbar ist siehe Kapitel 7 1 6 7 1 5 Test zu Verbindungen innerhalb des WLAN In der Beschreibu
228. p teren Messaufbau separat zu bestimmen und empirisch anzubringen siehe dazu auch die Thematik der Datenaufbereitung im Kapitel 2 2 2 Seite 156 GeoSN UniBw Anlage 8 Anlage 8 Auswertung einer Messreihe GeoSN UniBw Aus dem unter 7 2 2 vorgestellten Test der mit insgesamt 8 Rovern durchgef hrt wurde ist nachfolgend exemplarisch die Zeitreihe f r den Rover 7000 wiedergegeben Die Wahl f llt auf diesen Rover da er exponiert auf dem Gel nde der UniBw liegt und einen poten tiellen Sensorknoten in einer praktischen Umsetzung des GeoSN UniBw am ehesten wi derspiegelt Der Aufbau des GPS Empf ngers auf einem Container auf weitgehend freier Fl che mit nur geringf gigem Bewuchs f hrt dazu dass nur mit minimalen Abschattun gen und Mehrwegeffekten zu rechnen ist Die nachfolgenden Betrachtungen zur Zeitreihe finden innerhalb des Auswerteprogramms GOCA in drei Schritten statt a Darstellung der in GOCA aus den origin ren Basislinien abgeleiteten Abbildungs koordinaten des Rovers 7000 mit den in Tabelle 12 angesprochenen Ausrei ern Abbildung 54 b Darstellung der Abbildungskoordinaten unter Herausfilterung der Ausrei er mit Hilfe der Vorgabe von maximalen Abweichungen von 20 cm gegen ber 5 voran gegangenen Beobachtungen Abbildung 55 c Darstellung der Zeitreihe unter Ber cksichtigung des gleitenden Mittelwertes unter Nutzung der L1 Norm ber 5 Messungen Abbildung 56 1 3022 m Sensor 7000 re ee u Beer s
229. piell bis zu 65536 Schnittstellen Anzahl der Ports 2 Byte pro OS zu programmieren die die Netzwerkei genschaften in Form der IP Adresse des OS zur Daten bertragung nutzen siehe Abbildung 18 Allerdings sind insbesondere die niedrigen Portnummern von 0 bis 1023 durch die IANA etwa f r den http Dienst registriert Web 17 und somit nicht uneinge schr nkt nutzbar Somit ist die Anzahl der Schnittstellen der Zentralstation zu Sensorknoten nicht von der Hardware abh ngig sondern davon dass sowohl Zentralstation als auch Sensorknoten eine Netzwerkanbindung und eine zugewiesene IP Adresse besitzen und der Knoten entspre chende Ports zu seinen Applikationen im GeoSN insbesondere den Zugang zu den ver schiedenen Sensoren am Sensorknoten anbietet Die Zuweisung von IP Adressen muss bei Einbindung in bestehende Netze den Vorgaben des Netzwerks entsprechen Bei rein lokalen Netzwerken ist die IP Adresse prinzipiell unbeschr nkt aus den 4294967295 M g lichkeiten w hlbar die sich aus den 4 Byte einer IP Adresse ergeben siehe Abbildung 18 Bei der Integration von Gateways kann diese Anzahl m glicher Adressen noch weiter erh ht werden 5 MAC Media Access Control Web 14 TANA Internet Assigned Numbers Authority Seite 65 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Zentralstation OS 1 Applikation Netzwerkanschluss Port 1 Port 2 IP Adresse 1 Netzwerkanschluss IP Adresse 2 1 Netzwerkleitung n
230. pitel 4 3 3 2 2 berechnet und mit H he der direkten Sichtli ne LoS Line of Sight nach folgender Formel a hs h h h d Anl 2 1 ho H he der direkten Sichtline an der Position d h H he der Antenne 1 h H he der Antenne 2 zwischen den beiden Antennen kombiniert erg ben sich folgende maximale Geb udeh hen f r ungest rte bertragungen Antennen H hen Abstand Verh ltnis lros Radius Maximale d d zu d2 FFM Geb udeh he f r ungest rte bertragung Antenne 1 Antenne 2 f r 60 hros FFM der Zone 1 Verbindung Knoten 4 Knoten 2 473m 0 5 0 5 43m 2 9m 1 4m 2 5m 6m 2 Verbindung Knoten 4 Knoten 5 555 m 0 42 0 58 11 2 m 3 2 m 8m 2 5m 23 m 3 Verbindung Knoten 4 Knoten 5 555 m 0 42 0 58 12 1 m 3 2 m 8 8 m 4m 23 m Tabelle 17 Berechnung der maximalen Geb udeh he f r ungest rte bertragung Da der neu errichtete Geb udekomplex eine H he von 10 50 m besitzt ist die Fresnelzone in allen drei Konstellation der Verbindung gest rt Trotzdem konnte die Kommunikation in der dritten Verbindung hergestellt werden Hierbei erreichte die Sendequalit t zwischen der Repeater Bridge des Knoten 5 und dem COM Server Client in Knoten 4 innerhalb des Association Tables zumindest eine St rke von 15 was f r fehlerfreie Daten bertragun gen ausreichend war Es zeigt sich in diesem Aufbau dass gest rte Verbindungen innerhalb
231. r Sensoren bzw Ger te und der Kommunikationseinheit Vorgaben zu zeitgesteuerten Kno tent tigkeiten etwa der Abfrage der Sensoren oder der Aktivierung der Kommunikations einheit Vorgegebene Ruhephasen dienen dabei der optimalen Nutzung der begrenzten Ressourcen Energie und Kommunikationsbandbreite Au erdem m ssen im Zuge der A D Wandlung der Sensormessungen auch Datenverarbeitungsf higkeiten im Controller implementiert sein So m ssen etwa die aufgenommenen Daten vor ihrer Versendung auf Wichtigkeit berpr ft und auf die wesentlichen Informationen begrenzt werden Diese EEPROM Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory Begriff aus der Computertechnik Seite 7 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke Minimierung der versendeten Datenmengen ist bei sehr gro en Netzwerken zwingend erforderlich da die Kommunikationsbandbreite durch die zumeist geforderte drahtlose bertragung begrenzt ist und die nachgeordnete Auswertesoftware m glicherweise derar tig gro e Datenmengen nicht verarbeiten kann Es m ssen in vorangehenden Planungen z B in Simulationen 5 optimale Verh ltnisse zwischen Datenaufnahme Daten bertra gung sowie Energiemanagement der Sensorknoten gefunden werden Die Art der angeschlossenen Sensorik ist vom jeweiligen Typ des WSN abh ngig und somit modular Es ist die Nutzung relativ einfacher Sensoren m glich da die Signalverar beitungen von der Rechnerkomponente des Sensorknotens durchgef hr
232. r te oder zwischengeschalteten Rechnerelementen m glich ist 4 3 3 2 2 WLAN Der Begriff Wireless LAN WLAN macht bereits deutlich dass die Kommunikations struktur vom Grundaufbau der des Ethernet LAN entspricht Wie beim Datenfunk sind alle Teilnehmer mit dem Medium Luft verbunden Dies ist bei einer LAN Struktur anders als beim seriellen Ansatz von DF weniger problematisch da auch bei der drahtgebunde nen LAN Struktur siehe Abbildung 18 alle Kommunikationsteilnehmer am gleichen Medium angeh ngt sind Die Adressierungen finden hierbei durch die Softwareadresse innerhalb des LAN Protokolls beispielsweise des TCP IP statt WLAN ist lediglich eine Erweiterung des drahtgebundenen LAN ber drahtlose Strecken wobei die Verbindung zu einem Rechner ber die HW SS1 siehe Abbildung 16 wie bisher drahtgebunden ist Durch die drahtlose bertragungstechnik im WLAN wechseln die DCEs des drahtgebun denen LAN lediglich in neue Hardwareelemente Ist ein Rechner selbst WLAN f hig bedeutet es dass das DCEI nicht mehr eine Netz werkkarte sondern eine WLAN Karte oder eine entsprechende Ausr stung repr sentiert Ein derartiger Rechner ist ein WLAN Client Sind alle WLAN Teilnehmer derartig aus gestattet so kann ein so genanntes Ad Hoc oder Peer to Peer Punkt zu Punkt Netzwerk aufgebaut werden siehe Abbildung 2 und Abbildung 20 Abbildung 20 Ad Hoc WLAN Anders als beim drahtgebundenen Netz in dem die einzelnen Teilnehmer zun chst
233. r vorgeschlagene Konstellation ist f r eine Gebirgsregion vorgesehen und umfasst ein So larmodul mit 80 Wp siehe festgestellte Mindestforderung im Testaufbau von 50 Wp sie he Anlage 4 und eine Solarbatterie mit 130 Ah Die zu nutzenden WLAN Antennen sind zum einen von den zu berbr ckenden Reich weiten und von den zu erwartenden Signald mpfungen abh ngig Au erdem muss zwi schen Direktional und Omni Antennen unterschieden werden Die hier angegebenen Kos ten repr sentieren Parabol Direktional Antennen die die h chsten Signalverst rkungen besitzen und den langen Abst nden ca 3 5 km zwischen Sensorknoten und Zentralstati on eines Systems in einer Gebirgsregion angepasst sind Seite 160 GeoSN UniBw Anlage 9 Kosten Anzahl Gesamtkosten Zentralstation Desktop PC 1000 1 GPS Empf nger 650 1 WLAN Root Bridge 800 1 WLAN Antenne 600 1 Verkabelung 100 1 3150 GPS und WLAN Sensorknoten WLAN COM Server 300 1 WLAN Antenne 600 1 GPS Empf nger 650 1 Solarmodul 500 1 Solar Batterie 300 1 Laderegler 100 1 Schaltschrank und Isolierungsbox 300 1 Verkabelung und Isolierung 200 1 2950 Repeater Sensorknoten Nur ggf nur Unterschied zum normalen Sensorknoten WLAN Repeater Bridge 800 COM Server 350 3800 nicht WLAN aber mehr serielle Schnittstellen Tabelle 20 gen h
234. r Platin Temperatursensor in D nnschichttechnik TO 92 Heraeus Sensor Technology GmbH April 2001 http www heraeus sensor nite de 46 Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104 RTCM Recommended Standards for Differential Navstar GPS Service Version 2 1 Washing ton D C USA 1994 47 Produktbeschreibung RTCM Recommended Standards for Differential GNSS Global Navigation Satellite Systems Service Version 3 1 RTCM Standard 10403 1 No vember 2006 www rtcm org 48 Produktbeschreibung GPS1200 Technisches Referenz Handbuch Version 1 0 Leica Geosystems AG Herbrugg Schweiz 2004 www leica geosystems com 49 Produktbeschreibung Trimble S6 Totalstation Trimble GmbH Rauenheim Deutsch land 2005 50 Produktbeschreibung Leica TPS1100 Professional Series Gebrauchsanweisung Versi on 2 2 Leica Geosystems Heerbrugg Schweiz 2002 www leica geosystems com 51 Produktbeschreibung Leica Maschinensteuerungs Systeme Leica Geosystems AG Herbrugg Schweiz 2005 www leica geosystems com 52 Wasmeier P Potenzial der Objekterkennung mit dem Servotachymeter TCA2003 Geomatik Schweiz 02 2004 2004 53 Produktbeschreibung Leica T Probe Leica T Scan Leica Geosystems Unterentfel den Schweiz April 2006 www leica geosystems com 54 Stempfhuber W Maurer W Leistungsmerkmale von zielverfolgenden Tachymetern bei dynamischen Anwendungen Qualit tsmanagement in der geod tischen
235. r Widerstands nderung zwischen einer Anode und einer Kathode die von ihrer Eintauchtiefe innerhalb einer Fl ssigkeit abh ngig sind 65 Ein weiterer Ansatz ist die Erfassung der Ver nderung des Ausfallwinkels in Abh ngigkeit der Ausrichtung der Fl s sigkeitsoberfl che 66 Ein weiterer geotechnischer Sensor zur Neigungsmessung ist das Inklinometer Das Mess prinzip dieses Ger tes ist die Messung der vertikalen Inklination ber eine feste Ger teba sis Der Messk rper ist zu diesem Zweck stangenf rmig ausgepr gt Er wird in ein Mess rohr abgelassen und misst an verschiedenen Absenktiefen die Inklination Wird anschlie Bend der Fu oder Kopfpunkt des Messrohres als stabil angenommen kann der geometri sche Verlauf des Messrohres ber die bekannten Absenkwege berechnet werden In den Bereich der geotechnischen Sensoren fallen noch verschiedene andere Ger te die insbesondere zur Erfassung der Ursachen etwaiger Ver nderungen dienen zum Beispiel Erddruckkissen die Kr fte innerhalb des Bodens feststellen sollen sowie Feuchtigkeits s ttigungsmessungen und Temperatursensoren Diese sonstigen geotechnischen Sensoren sollen hier zun chst nicht weiter vertieft werden aber da ihre Einbindung in ein System bez glich der Steuerung und der grundlegenden Sensorf higkeiten der der geometrisch messenden geotechnischen Sensoren gleichzusetzen ist ist eine Nutzung sehr leicht m g lich Die relative Messung von L ngen nderungen und
236. rd bei der Konzeption eines Sensorknotens f r ein GeoSN nach hnlichen Konzeptio nen wie im WSN verfahren bedeutet dies zun chst eine Trennung eines Knotens in die drei Bestandteile Sensor Rechner und Kommunikationseinheit siehe Abbildung 6 Diese hardwaretechnische Trennung entspricht gedanklich auch der Aufgabenteilung in Informa tionsaufnahme Signalverarbeitung und Daten bertragung Rechnerkomponente Datenspeicherung Powermanagement tional un Datenaufnahme 1 berwachung der WER B 7 und weiterleitung atteriereserven 3 optional 2 2 Versorgung Sensor Signalverarbeitung und Komm Einheit 3 Stand By Betrieb 1 A D Wandlung 2 Aufbereitung 3 Pr fung auf Relevanz Datenabgabe a Kommunikations Sensor einheit i d R analog Stromversorgung i d R Batterie Batterieladung z B Solarversorgung optional Abbildung 6 Aufbau eines Sensorknotens in einem WSN Im hier entwickelten GeoSN UniBw kann diese Dreiteilung allerdings nicht einfach ber nommen werden da die Knoten in der Regel nicht auf Platinenebene konzipiert werden Es wurden vielmehr fertig konfigurierte Bausteine f r die zusammengestellten Knoten verwendet die bereits umfangreiche F higkeiten besitzen Somit berlappen sich die Auf gaben Datenaufnahme Datenwandlung und Speicherung sowie Kommunikationsaufbau und Datenweitergabe in den genutzten Komponenten teilweise Trotzdem soll eine Tren nung von B
237. rdabweichungen und Verbesserungen zum Mittelwert auf da es sich hier um eine Zero Baseline Auswertung handelt Die in Tabelle 13 erkennbare hohe Anzahl von eliminierten Basislinienauswertungen von Referenz 1001 zu Referenz 1000 bzw die generell hohe Zahl von vorab eliminierten Ba sislinienberechnungen lassen darauf schlie en dass die in GrafNav vorgegebenen Prozes sierungsparameter siehe 92 nicht optimal waren Au erdem waren die vorgegebenen Koordinaten der zwei Referenzpunkte nicht aufeinander abgestimmt Dies ist erkennbar wenn die mittleren Koordinaten der Basislinien zu Referenz 1000 denen zu Referenz 1001 gegen bergestellt werden Es liegen hierbei nahezu konstante Offsets in allen Koordina tenkomponenten vor Zu Referenz 1000 Koordinatendifferenzen mit Referenz 1001 X Y Z AX AY AZ m m m m m m 2000 4181631 998 861404 098 4723350 103 0 037 0 009 0 048 3000 4181590 741 861412 684 4723384 160 0 037 0 009 0 049 4000 4181590 758 861413 217 4723384 045 0 036 0 009 0 048 5000 4181590 738 861412 951 4723384 112 0 037 0 009 0 048 6000 4182030 706 861322 052 4722993 578 0 036 0 009 0 049 7000 4181875 036 861793 772 4723044 023 0 036 0 010 0 048 8000 4181869 464 861246 883 4723174 192 0 036 0 009 0 048 9000 4181869 305 861250 137 4723173 757 0 036 0 009 0 048 Tabelle 14 Mittlere Koordinatenwerte der Rover Eine Abstimmu
238. rden nur die Kosten betrachtet die unabh ngig von der tats chlichen Messkonstellation auftreten Insbesondere Kosten f r Punktvermar kungen sowie ggf laufende Kosten f r Strom und Telefon Internet Bereitstellung der Beobachtungen im Internet sowie bersendung von Alarmierungen im Netz oder per Telefon an der Zentralstation lassen sich h ufig erst bei der tats chlichen Planung vor Ort erkennen Bei den nachfolgenden Aufstellungen zu den Kosten der Hardware werden einige Punkte vorausgesetzt 1 Nutzung einer Root Bridge an der Zentralstation um ggf Repeater Bridges an Sensorknoten nutzen zu k nnen siehe Anlage 2 2 Drahtgebundene serielle Anbindung eines GPS Empf ngers an die Zentralstation in der Regel als eine GPS Referenz oder GPS Rover mit stabilem Aufbau 3 Nutzung von autarken Stromversorgung ber Solar Sensorknoten gem Abbildung 27 4 Nutzung von einem GPS Empf nger pro Sensorknoten als einzigen Sensor Insbesondere bei der Stromversorgung ber Solarenergie und der Wahl der WLAN Antennen lassen sich nur schwer Vorgaben machen So ist die Versorgung mit Hilfe eines Solarmoduls in der sp teren Systemkonstellation etwa von der mittleren Anzahl der Son nentage in der Region der H ufigkeit des Auftretens von Nebel und Bew lkung und ggf der Schneeh he im Winter abh ngig Ebenso sind die Solarbatterien diesen Gegebenheiten anzupassen um m gliche Ausfallzeiten der Solarversorgung zu kompensieren Die hie
239. reihe vom 02 07 08 07 2006 22220esenensnennen 137 Abbildung 55 Gefilterte Zeitreihe vom 02 07 08 07 2006 22 22ccseeennesennnennenn 157 Abbildung 56 Gefilterte Zeitreihe vom 02 07 08 07 2006 mit gleitenden Mittelwert 157 Abbildung 57 Ungefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 2222sssssessneesneennenennennenn 158 Abbildung 58 Gefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 uuucrsseessesssenennennneesnnnnsnennnnennnen 158 Abbildung 59 Gefilterte Zeitreihe vom 04 07 2006 mit gleitenden Mittelwert 158 Abbildung 60 Gefilterte Zeitreihe vom 05 07 2006 mit gleitenden Mittelwert 158 Abbildung 61 Zeitreihe mit gleitendem Mittelwert esensenssnenseesenseennnnnnen 159 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Beispiele f r Motofisierte Tachymeter en er 27 Tabelle 2 Beispiele f r Digitalnivelliere na aereensslare 32 Tabelle 3 Beispiele f r Handheld und geod tische Empf nger in Lotstock Varianten 34 Tabelle 4 Beispiele f r OEM GPS Empf nger usnsensnnesnensnsneneennnnnnn nennen 35 Tabelle 5 Beispiele geotechnischer Sensoren und Loggingeinheit der Firma Gloetzl 42 Tabelle 6 Beispiele f r Messwertcodierung bei Tachymetern ee 52 Tabelle 7 Beispiele f r ASCH basierte Codierungen nenennennsennenennnnnen 55 Tabelle 8 Spezifikationen der NovAtel SMART und SMART V1 ANTENNA 80 Tabelle 9 Spezifikationen d
240. rl utert Was ihre Steuerung und Messwertgenerierung betrifft sind sie den Sensoren im Wesentlichen gleichzusetzen Seite 26 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN 3 1 Optisch messende Sensoren Der Grundgedanke bei den nachfolgend betrachteten optisch messenden Sensoren ist die polare Koordinatenbestimmung Dabei definiert das Messger t selbst ein lokales topo zentrisches Koordinatensystem ber zwei definierte Koordinatenachsen die entweder fest im Messger t integriert oder durch den Aufbau definiert sind Da derartige Ger te h ufig lotbezogen eingesetzt werden bezeichnet man die durch die Achsen aufgespannten Ebe nen im Allgemeinen als Horizontal und Vertikalebene Bei der polaren Koordinatenbestimmung werden in den beiden Ebenen parallel zwei Win kel gegen ber einer Nullrichtung Hz in der Horizontal und V in der Vertikalebene sowie eine Strecke d gemessen Aus diesen drei Messungen kann anschlie end unmittelbar ein Raumvektor im lokalen kartesischen Koordinatensystem des Ger tes errechnet werden dessen Elemente die drei lokalen Koordinaten des Zielpunktes widerspiegeln 3 1 1 Motorisierte Tachymeter Pr zisionstachymeter realisieren die Bestimmung des Raumvektors im Bereich weniger Millimeter mittels Winkelmessungen in der Genauigkeitsklasse von unter 1 mgon und Streckenmessungen in der Genauigkeitsklasse 1 bis 2 mm sowie der Integration einer Rechnerkomponente welche die Messungen unmittelbar auswer
241. rutschungen GPS Empf nger werden in dem hier konzipierten GeoSN f r ingenieurgeod tische ber wachungsmessungen als definierendes Sensorelement innerhalb der Sensorknoten im Vordergrund stehen da sie am ehesten den Ansatz des Sensornetzwerks realisieren Die Notwendigkeit zur Nutzung von DGPS kann durch erh hten Aufwand bei der Kommuni kation und ggf nachgeordnete Software gel st werden Dadurch stellen sie bez glich der Konzeption die anspruchvollsten Forderungen an die anderen Elemente des Knotens und bilden somit den Ma stab den es zu erf llen gilt Die sonstigen betrachteten Sensorsys teme Tachymetrie und geotechnische Loggingsysteme k nnen die so geschaffene Basis der Steuerung und Kommunikation ohne umfangreiche Umplanungen bernehmen siehe Anlage 6 3 5 Sonstige Sensoren Sensoren zur Feststellung geometrischer Ver nderungen stellen zwar die Masse der einge setzten Sensoren da die geometrischen Ver nderungen des berwachten Objekts die we sentlichen interessierenden Gr en darstellen es kommen aber auch zus tzliche Sensoren zum Einsatz Einen besonderen Aspekt nehmen dabei die Sensoren zur Erfassung der me teorologischen Gr en ein da diese in Form von Temperatur und Druck etwa zur Korrek tion der Messungen mit Tachymetern genutzt werden m ssen Au erdem dient insbeson dere die Temperatur in Zusammenhang mit modelliertem Ausdehnungsverhalten des Ob jektes sowie weiteren Messungen etwa zur Windgeschwindigke
242. s angeschlossenen GPS Empf ngers ber das WLAN GEOSN UNIBW2 siehe Kapitel 7 2 1 2 vom Repeater Rechner Sensorknoten 2 in vorgegebenen Zeitintervallen von 5 Minuten abgefragt und zusammen mit der Rechnerzeit in einer Datei abgespeichert Das Abfragen der Informati onen des Ladereglers ist dabei mit Hilfe eines einfachen ASCII Befehls m glich Seite 138 GeoSN UniBw Anlage 4 14 00 13 50 13 00 12 50 4 12 00 Spannung V 11 50 11 00 10 50 10 00 5 5 06 0 00 6 5 06 0 00 7 5 06 0 00 8 5 06 0 00 9 5 06 0 00 10 5 06 0 00 11 5 06 0 00 12 5 06 0 00 13 5 06 0 00 14 5 06 0 00 Datum Uhrzeit Abbildung 48 Versorgungsspannung des Knoten 3 vom 05 bis 14 05 2006 Im Verlauf der Batteriespannung der Abbildung 48 sind deutlich die Tag Nacht Wechsel erkennbar in denen die Batterien durch die Module geladen bzw durch die Verbraucher entladen werden W hrend einer l ngeren Sch nwetterphase vom 05 05 bis zum 08 05 2006 mit keiner Bew lkung ergeben sich maximale Spannungen der Batterie bis zu 13 8 Volt Eine Sicherheitseinstellung des Ladereglers verhindert eine berladung der Batterie bei zu starken Ladestr men Bei stark bedecktem Himmel wie er am 09 05 2006 vorherrschte wird die Batterie hinge gen kaum geladen sondern lediglich die Verbrauchleistung der Verbraucher innerhalb des Knotens generiert Trotzdem ist zu erkennen dass die Funktionalit t des Knotens durch Solarversorgung weite
243. s betrachtet Auch solche High End Ger te m ssen in hnlicher Weise wie die Low Cost Empf nger vorab konfiguriert werden Bei den NovAtel OEM3 Empf ngern kann dazu das ebenfalls frei erh ltliche Programm GPS Solution 81 das sich wiederum als GUI Programm darstellt genutzt werden Die genutzten Leica Empf nger sind auf eine h ndische Nut zung ausgelegt so dass hier die Einstellungen mit Hilfe des zugeh rigen Terminals manu ell vorgenommen werden m ssen Da beide Empf ngertypen wesentlich umfangreichere F higkeiten als etwa die SMART ANTENNA Ss besitzen ist es lediglich notwendig die genutzte Schnittstelle und die zugeh rigen Parameter f r den sp teren Betrieb vorzugeben Die Kommunikationssprache ist bei Leica Empf ngertypen ohne vorhergehende Umstel lung sowohl bin r im Leica Binary 2 LB2 Interface als auch mit ASCII Befehlen ber das Outside World Interface OWI m glich Die NovAtel OEM3 Empf nger sind bez g lich externer Befehle rein auf ASCI ausgelegt die Ausgabe der aufgezeichneten Daten kann hingegen entweder in ASCH Nachrichten oder in einem bin ren Format stattfinden Die betrachteten High End GPS Empf nger ben tigen externe GPS Antennen Diese Notwendigkeit f hrte dazu auch als Antennen High End Versionen einzusetzen Genutzt wurden dabei Choke Ring Antennen die besonders gute Empfangseigenschaften besitzen und Multipatheinfl sse durch ihre spezielle Bauweise weitestgehend minimieren Es ka men da
244. s m glich die genaue RTK Messung auf die wesentlichen Inhalte zur Positionsangabe zu begrenzen NMEA Na chricht und so die an die Zentralstation zu bermittelnden Informationen zu minimieren 3 2 3 DGPS im Post Processing Die zweite M glichkeit die Tr gerphasenmehrdeutigkeiten zu l sen und dadurch die ge forderten Genauigkeiten zu erreichen ist eine der eigentlichen Messung nachgeordnete Auswertung im Post Processing PP Auch wenn diese Auswertung der Beobachtungen prinzipiell erst nach deren Abschluss durchgef hrt werden kann und immer eine gewisse Menge an Beobachtungen hnlich der Initialisierungsphase beim RTK vorliegen muss kann sie zeitnah nach einer Messung erfolgen und damit als Near Real Time PP ange Seite 38 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN wendet werden Das PP erfordert dabei die Rohdaten des Rovers und der Referenz und ein entsprechendes Auswerteprogramm Auswerteprogramme werden von einigen Firmen hoch qualitativer GPS Empf nger ver trieben Allerdings sind diese Programme zumeist nur auf Daten firmeneigener Empf nger ausgelegt Einzige Ausnahme bildet hierbei das so genannte RINEX Format ein standar disiertes GPS Rohdatenformat in lesbarer ASCH Form 60 Die f r die PP Auswertung notwendigen Rohdaten k nnen von GPS Empf ngern meist nur im empf ngereigenen bin ren Datenformat aufgezeichnet werden da das standardi sierte NMEA ASCII Format keinen Nachrichtentyp mit den notwen
245. sch re GPS monitoring of the Imer Landslide GEODEV SA Earth Technologies Manno Schweiz Februar 2003 www geodev ch 37 Informationsbrosch re Landslide monitoring Melide GEODEV SA Earth Technolo gies Manno Schweiz Februar 2002 www geodev ch 38 Informationsbrosch re Das GeoMonitor System Solexperts AG M nchaltorf Schweiz Oktober 2006 www solexperts com 39 W bbena G Bagge A Boettcher G Schmitz M Permanent Object Monitoring with GPS with 1 Millimeter Accuracy International Technical Meeting ION GPS 01 Salt Lake City USA September 2001 40 Produktbeschreibung System 1200 Newsletter LEICA Geo Office Leica Geosystems AG Herbrugg Schweiz Juli 2004 www leica geosystems com 41 Produktbeschreibung GrafNav GrafNet 7 60 User Manual Rev 1 NovAtel Inc Cal gary Canada November 2006 www NovAtel com 42 Produktbeschreibung Elektrische Wegaufnehmer mit Widerstandselement Typ GWW 30 Gloetzl Gesellschaft f r Baumesstechnik mbH Rheinstetten Deutsch land Juli 2001 www gloetzl de Seite 171 GeoSN UniBw Literaturverzeichnis 43 Produktbeschreibung Automatische Feldmessanlage Typ MFF 2 12 2 Gloetzl Ge sellschaft f r Baumesstechnik mbH Rheinstetten Deutschland Juni 2001 www gloetzl de 44 Produktbeschreibung Befehlssatz f r Automatische Feldmessanlagen Gloetzl Gesell schaft f r Baumesstechnik mbH Rheinstetten Deutschland 2000 45 Produktbeschreibung Geh uste
246. seltensten zugegriffen werden kann ist eine Integration von Softwareadressen im Sensor in der Regel nicht m glich Allerdings werden derartige In tegrationen von Funkadressen bei einigen Ger ten unmittelbar vorgenommen etwa beim Datenfunkger t im Zeiss Trimble S10 bei dem das Datenfunkger t fest im Ger t integriert ist 55 Prinzipiell kann eine Funkstrecke auch f r eine Duplex Datenleitung eingesetzt werden Dies ist allerdings nur dann m glich wenn die permanent sendende Quelle zwischen ihren versendeten Datenpaketen siehe Abbildung 15 entsprechend gro e Zeitfenster offen l sst um ein Paket zu empfangen Dies kann durch eine entsprechende Programmierung der permanent sendenden Quelle erreicht werden Besitzt diese Quelle keine M glichkeit die Datengenerierung zu begrenzen so muss der Hardwareschnittstelle zum DCE ggf ein zus tzliches Rechnerelement vorgeschaltet werden das die Daten der Quelle zus tzlich filtert Dies ist wiederum der Ansatz in einem klassischen WSN in dem die Rechnerkom ponente die Steuerung der Datenversendung regelt Zusammengefasst l sst sich zu Datenfunkstrecken in einem GeoSN sagen dass sie opti mal f r Simplex Daten bertragungen auf serieller Basis geeignet sind aber dass ihre Ver Seite 72 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN wendung als Ersatz einer seriellen Half Duplex oder Duplex Kabelverbindung nur mit zus tzlichen Hardwaref higkeiten innerhalb der Funkge
247. sen den sobald sie von dem n chsten zugeh rigen Empf nger in Reichweite auf eine RTS Request to Send Anfrage eine CTS Clear to Send Antwort erhalten haben 6 Die au erdem h ufig vorliegenden geringen Reichweiten der bertragungssignale m ssen dabei auch Knotenf higkeiten zur reinen Datenweiterleitung vorsehen da zumeist nicht alle Knoten direkten Kontakt zur Zentralstation haben Die Form der Funkdisziplin muss sich somit zum einen auf eine genaue Planung der Sendeintervalle der einzelnen Knoten bezie hen und zum anderen eine Empfangsbereitschaft f r Signale benachbarter Knoten gew hr leisten Da Empfangsbereitschaft eines Funkger ts nahezu die gleichen Energiemengen ben tigt wie das Versenden von Daten ist hierbei ein Powermanagement erforderlich das etwa zeitlich gestaffelte Ruhezeiten verschiedener Knoten einplant oder ein Wechseln des bertragungswegs der Daten innerhalb der Netzstruktur abh ngig von der Batterie leistung einzelner Knoten steuert 7 Ziel des Datenpakets eines Sensorknotens muss immer die Zentralstation sein Da die drahtlose bertragungsreichweite der einzelnen Sensorknoten aber durch die geringen Sendeleistungen den zu minimierenden Stromverbrauch und die h ufig zuf llige Netzan ordnung meist auf die unmittelbaren Nachbarn begrenzt ist muss die Vernetzung in der Regel eine andere Form annehmen als die klassische Vernetzung in einem LAN Um die Masse der Knoten auch ohne feste Infrastrukturpunkte
248. sensors innerhalb des genutzten Solarladereglers 110 berwacht Die Schaltschr nke dieser Sensorknoten waren dabei nicht durch eine zus tzliche Ummantelung wie im K l tetest beschrieben isoliert sondern zum Schutz lediglich in einem Container verbaut wor den Allerdings stiegen auch innerhalb dieser Container die Temperaturen in Folge der dunklen Au enh lle und mangelnden Bel ftung stark an Die Au entemperaturen wurden durch eine Meteo Station erfasst die auf dem Gel nde der UniBw durch das Instituts f r Wasserbau des Studienganges Bauingenieurwesen und Umwelttechnik betrieben wird Sie erfasst in 10 Minuten Intervallen umfangreiche Daten verschiedener meteorologischer Gr en wie Temperatur Luftdruck und Niederschlag Temperaturen werden unter anderem in einer H he von 5 cm Bodenniveau und in einer H he von 4 m gemessen Diese zwei Messstellen erm glichen eine gute Wiedergabe der zu erwartenden Temperaturen innerhalb der Sensorknoten F r den Zeitraum vom 17 bis 27 07 2006 wurden die Temperaturverl ufe f r die Sensoren der Meteo Station in Abbildung 45 und die Sensoren in den Sensorknoten 3 und 4 in Abbildung 46 dargestellt 45 40 35 L AAN HHH MM A RE VA I Temperatur in 4m H he Temperatur am Boden 17 07 2006 18 07 2006 19 07 2006 20 07 2006 21 07 2006 22 07 2006 23 07 2006 24 07 2006 25 07 2006 26 07 2006 27 07 2006 12 00 12 00 12 00 12 00 12 00 12 00 12 00
249. sgeschlossen werden k nnen sind zu s tzliche Filterungen auf Zeitreihenbasis notwendig Werden etwa einzelne Beobachtungen mit vorangegangenen und nachfolgenden Beobach tungen verglichen und k nnen die maximalen dabei auftretenden Positionsver nderungen prognostiziert werden so werden die Beobachtungen herausgefiltert die diese vorgegebe nen Werte berschreiten Die so gefilterte Zeitreihe wird noch zus tzlich durch Tiefpass filter gegl ttet Eine derartige Tiefpassfilterung kann etwa in Form eines gleitenden Mit tels mit f nf eingehenden Ergebnissen der GrafNav Prozessierung 15 min L sungen erreicht werden Die nunmehr vorliegende L nge eines Auswerteintervalls betr gt somit 75 min siehe Abbildung 61 Messgr e Messzeit Messwert gleitender Mittelwert aus 5 Messwerten Zusammenfassung zum Mittelwert Abbildung 61 Zeitreihe mit gleitendem Mittelwert Seite 159 GeoSN UniBw Anlage 9 Anlage 9 Kosten bersicht GeoSN UniBw Da das GeoSN UniBw mehrfach als ein Low Cost System herausgestellt wurde soll hier eine m gliche Systemkonstellation bez glich der Kosten der einzelnen Hardwarekompo nenten wiedergegeben werden Kosten f r Softwarekomponenten werden hier nicht be trachtet da das System GeoSN UniBw nicht kommerziell ausgelegt ist In praktischen Anwendungen m ssen bei der Anschaffung von Software auch die Lizenzkosten ber ck sichtigt werden Bei den nachfolgenden Aufstellungen we
250. skomponente eines GeoSN variablen Zahlenwerten Es ist nicht notwendig die Zahl 0 mit entsprechend vielen Nullen oder Leerzeichen aufzuf llen bis sie zum Beispiel die L nge der Zahl 1054 321 hat Die sen Vorteil nutzt etwa GeoCOM Eine derartige Intelligenz ist allerdings vom Interpreter abh ngig da etwa INTCTL es nicht nutzt Wurden die verschiedenen Nachtrichten bzw Befehlsinhalte extrahiert und ist die physi kalische Bedeutung des Inhalts z B eine Temperatur oder Streckenmessung bekannt so muss noch die Form betrachtet werden in der diese Messung bergeben wird Bei den Sensoren eines GeoSN sind dies vor allem die Einheit und die numerische Ausgabe Vor und Nachkommastellen des Messwertes Bei den Einheiten von Messwerten werden zwar gr tenteils die Vorgaben des SI Systeme International 17 eingehalten aber f r Messgr en deren Einheit dort nicht definiert ist werden diese h ufig firmenspezifisch angegeben So werden etwa bei Geo COM die Winkelgr en f r Richtungen und Zenitwinkel in Bogenma definiert w hrend INTCTL die Einheit gon nutzt Die numerischen Darstellungen von Messwerten h ngen zum ersten immer von der Ge nauigkeit des genutzten Sensors ab So geben etwa Tachymetern ihre Streckenmessungen die in der Regel Genauigkeiten im Millimeter bis maximal zehntel Millimeter Bereich aufweisen auch nur in dieser Gr e aus um den Anschein h herer Genauigkeit zu ver meiden Der Lasertracker LTD500 hi
251. soft und hardwaretechnischen Umsetzung realisiert Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Zerlegung der Vorg nge bis zur Ausgabe eines f r ein ingenieurgeod tisches berwachungssystem nutzbaren Ergebnisses gelegt da sich dieser Bereich mit der wesent lichen Konzeption von Sensornetzwerken berlappt und in der Planung eines Projektes immer der erste Schritt sein muss Die Verifizierung des GeoSN UniBw bez glich seiner Nutzbarkeit als ingenieurgeod ti sches berwachungssystem in realen Anwendungen sowie die Bewertung der Messergeb nisse bez glich Aufl sung und Genauigkeit bilden den Abschluss der Arbeit Seite 5 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke 1 Sensornetzwerke Der Themenkomplex drahtloser Sensornetzwerke oder WSN Wireless Sensor Net works ist ein Ergebnis der permanent voranschreitenden technischen Entwicklung der Stromversorgung der Daten bertragung sowie der Rechner und Sensorenminiaturisie rung bei gleichzeitiger Preissenkung der einzelnen Komponenten in Folge des Massen marktes Alle diese Entwicklungen sind unter anderem die Folge des Ansatzes Rechner nicht mehr nur f r den interaktiven Nutzerbetrieb einzusetzen in der die Leistungsf higkeit immer von den Eingaben eines Bedieners abh ngig ist Viel mehr sollen sie in einem gro en Verbund eingesetzt werden im dem sie automatisch vorgegebene Aufgaben ausf hren Diese Aufgaben bestehen zum einen aus der Steuerung angeschlossener elektronischer
252. sornetzwerk rungsprogramm zur Umformung der Ergebnisse in das GOCA Format genutzt werden wobei etwa GrafNav bereits verschiedene Optionen bereitstellt ausgewertete Basislinien auszugeben siehe Anlage 5 Punkt 6 und 7 2 5 GeoSN f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen Im nachfolgenden sollen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen dem Konzept ei nes WSN und dem eines Systems f r geod tische berwachungsmessung herausgestellt werden um so die Vorgaben f r das zu entwickelnde GeoSN UniBw zu ermitteln Ge meinsamkeiten liegen vor allem in der konzeptionellen Ebene w hrend es bei der Zielset zung und in der technischen Umsetzung starke Unterschiede gibt Da die technischen Aspekte von geod tischen Messger ten im Kapitel 3 und die der Kommunikationsmittel in Kapitel 4 explizit erl utert werden sind die Vergleiche zwi schen einem WSN und einem typischen geod tischen berwachungssystem zun chst all gemeiner Art Bei den Vergleichen werden nur die Elemente des geod tischen berwa chungssystems betrachtet die geometrische Gr en und damit die wesentlichen Beobach tungen generieren Die Aufnahmen sonstiger Gr en wie etwa meteorologischen Gr en z B Druck Temperatur und Windgeschwindigkeit Wasserst nden bei Staumauern oder Verkehrsfl sse auf Br cken die zur besseren Modellierung mit erfasst werden m ssen k nnen durch ein WSN bernommen werden Dies bietet die M glichkeit dass g nstige und ausgerei
253. sprotokolle untersucht werden Diese Kombination wurde in einem Labortest mit Hilfe mehrerer Sensoren eine geotechnische Loggingeinheit mit 4 angeschlossenen Sensoren zwei Digitalnivelliere drei Motorisierte Tachymeter und Aktoren zwei Schrittmotoren erprobt Der Test sieht vor dass alle Sensoren die vertikalen Bewegungen eines mit Hilfe eines der Aktoren verfahrenen Objektpunktes erfassen sollen Hierbei stand nicht die Ana lyse der Bewegungen sondern die Machbarkeit der Datenerfassung verschiedener Senso ren und Aktoren ber verschiedene Kommunikationswege im Vordergrund Es wurden folgende Instrumente als Sensoren bzw Aktoren eingesetzt a Gloetzl MFF2 12 Loggingeinheit mit zwei Extensometern sowie einer Schlauch waage mit zwei Messbeh ltern b DNA03 Digitalnivellier mit zugeh riger Invar Codelatte vom Typ GWCL60 c NA3000 Digitalnivellier mit zugeh riger 30 mm Invar Industrie Codelatte vom Typ GWCL30 d TCR1203 Tachymeter der Firma Leica Geosystems mit integriertem Bluetooth e TCRQ1101 Tachymeter der Firma Leica Geosystems f TCA2003 Tachymeter der Firma Leica Geosystems g S10 Tachymeter der Firma Zeiss mit integriertem Datenfunkger t h Corner Cube Reflektor CCR1 5 als Zielzeichen f r die Tachymeter i Fest montierte AGA Rundprismen des Geod tischen Labors als Zielzeichen f r die Tachymeter j Drehtisch mit integrierten Schrittmotor k Verfahreinheit mit Faulhaber Schrittmotor und
254. ssreichweite und der Form der generierten Messwerte auf die berwachung kleinr umiger Setzungen begrenzt 3 2 GPS Empf nger GPS Empf nger realisieren wie Tachymeter dreidimensionale kartesische Koordinaten Bestimmungen Sie finden allerdings nicht in einem lokalen topozentrischen System son dern einem globalen geozentrischen System etwa dem ITRF 2000 statt Die Form der Ausgabe der Koordinaten kann anschlie end in der Regel durch Einstellungen am Ger t zwischen geozentrischen Koordinaten X Y Z oder geographischen Koordinaten L nge Breite ellipsoidische H he gew hlt werden Einige Ger te lassen auch ber die Definiti on von Koordinatentransformationen Koordinatenumrechnungen eine Ausgabe von lokal kartesischen oder Abbildungskoordinaten Rechtswert Hochwert H he zu Ein lotbezogener Einsatz von Nivellieren ist durch den integrierten Kompensator in der Regel f r eine Messung zwingend erforderlich Seite 32 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN GPS Empf nger akquirieren ohne externe Befehle alle sichtbaren GPS Satelliten indem aus einer grob bekannten Position und den bekannten Satellitenbahnen die Suchfenster f r Signale bestimmt werden Anschlie end werden automatisch die Code Signale der sicht baren Satelliten sowie die GPS Systemzeit gemessen Eine Messung der Phase der GPS Tr gerfrequenzen L1 bzw L2 auf denen die Codes und GPS Informationen aufmoduliert sind ist keine grunds tzlich imple
255. sssesssssssennneennnennnnennnenenennne essen 13 Abbildung 4 Bestandteile der Datenerfassung 0u0sssessensessnnsneneneennneennn nenn 14 Abbildung 5 Prinzipskizze der Teilschritte einer Datenaufbereitung 15 Abbildung 6 Aufbau eines Sensorknotens in einem WSN nnnessennnsnnsnnnnnnn 25 Abbildung 7 Meteo Station WS 2308 cueesesssssssessnonssnnensensnnussnnnsnnnnnnnnnnnessnnnssnesunessnnnsnne 45 Abbildung 8 IP Kamera NCELIOO WIO an ea 45 Abbildung 9 Nachrichten bertragung analog zu 69 eeenneneeen 46 Abbildung 10 Kommunikationsmodell analog zu 69 ee 46 Abbildung 11 Darstellung des OSI Modells analog zu 69 gem DIN bersetzt 47 Abbildung 12 Hexadezimaldarstellung aus einem Bytewert analog zu 72 56 Abbildung 13 Simplex Daten bertragung von einer Quelle zu mehreren Senken 58 Abbildung 14 Half Duplex Kommunikation beim Polling eeenennenn 59 Abbildung 15 Duplex Daten bertragung zwischen zwei Open Systems 60 Abbildung 16 Schnittstellen entlang eines Kommunikationsweges neenn 61 Abbildung 17 bertragungswege im GeoSN bei serieller Kommunikation 64 Abbildung 18 bertragungswege im GeoSN bei Netzwerk Kommunikation 66 Abbildung 19 Hardwaretechnische Adressierung von DF Ger ten nenenene 72 Abbildung 20
256. st ndnis besonderer Sachverhalte zu verhelfen 3 Datenerfassung zum Zweck der berwachung eines bestimmten Sachverhalts mit dem Ziel den Nutzer im Hinblick auf bestimmte Zust nde zu warnen Mitunter treten mehrere der Auspr gungen in einem System auf Insbesondere Systeme vom Typ 2 und 3 finden h ufig parallel Anwendung wenn neben der reinen Generierung von Warnungen auch das zuk nftige Verhalten eines Sachverhalts prognostiziert werden soll 1 2 1 WSN als Steuerungssysteme Anwendungen bei denen WSN zur Steuerung permanent durchzuf hrender Aufgaben ein gesetzt werden ergeben sich etwa durch Vernetzung von Geb uden Derartige Systeme gibt es in Ans tzen schon seit der Einf hrung von Rauchmeldern mit angeschlossenen Feuerl schanlagen sowie Alarmanlagen gegen unbefugtes Eindringen Eine Geb udevernetzung mit den Funktionalit ten eines WSN wird h ufig als Smartho me bezeichnet wie es beispielsweise an der UniBw Web 2 im Fachbereich ET am In stitut f r Mess und Automatisierungstechnik entwickelt wurde In einer solchen Wohnanlage bernehmen Sensorknoten etwa folgende Aufgaben a permanente Pr fung der Anwesenheit eines Menschen in einem Raum b zeitgesteuerte Aktivierung und Deaktivierung von Steckdosen und damit der ange schlossenen elektrischen Ger te c optimale Anpassungen von Heizungs und Klimaanlage ber die berwachung des Klimas au erhalb und innerhalb des Hauses d automatische Fens
257. stellen sich in der Regel als ein GUI mit verschiedensten Einstellungs und Visualisierungsm glichkeiten f r die Daten der Empf nger dar Der wesentliche Vor teil der Nutzung eines derartigen firmenspezifischen Programms im Gegensatz zur Konfi guration mit Hilfe von Befehlen in einem Terminal Programm ist zum einen die zumeist bereits integrierte automatische Suchfunktion f r einen an einer seriellen Schnittstelle an geschlossenen Empf nger Das Programm sucht an der vorgegebenen Schnittstelle in bei den Kommunikationsformaten bin r und NMEA ASCII unter allen m glichen Schnitt stellengeschwindigkeiten Zum zweiten k nnen nachdem ein Empf nger gefunden wurde ber einfache Men befehle alle Optionen f r den sp teren Betrieb neu eingestellt und be reits durch Visualisierungen getestet werden Innerhalb des Programms werden so die Schnittstellenparameter und das notwendige bin re Aufzeichnungsformat f r die sp tere Datengenerierung im GeoSN eingestellt Neben diesen Vorgaben zur Datengenerierung und aufzeichnung werden auch die GPS spezifi schen Beobachtungsoptionen f r die Satellitenmessungen u a Elevationsmaske und Empf ngerdynamik hierbei wird etwa zwischen Adaption an einem Flugzeug oder Nut zung durch einen Fu g nger unterschieden vorab festgelegt da sie die sp tere Auswer tung wesentlich beeinflussen Wenn diese Konfigurationen im nicht fl chtigen Speicher des Empf ngers abgelegt werden sind sie auch nach d
258. stgehend erhalten wird Die lange Bew lkungsphase gegen Ende des Monats Mai 2006 siehe Abbildung 49 f hrte aber auch zu der Schlussfolgerung dass die 5 Solarmodule auf Container 9 nicht ausreichend waren um den Sensorknoten perma nent aktiv zu halten 14 00 13 50 13 00 12 50 12 00 Spannung V 11 50 11 00 10 50 10 00 f T 1 22 5 06 0 00 23 5 06 0 00 24 5 06 0 00 25 5 06 0 00 26 5 06 0 00 27 5 06 0 00 28 5 06 0 00 29 5 06 0 00 Datum Uhrzeit Abbildung 49 Versorgungsspannung des Knoten 3 vom 22 bis 29 05 2006 Seite 139 GeoSN UniBw Anlage 4 Es ist das Abfallen der Spannung auf 10 5 Volt in der Nacht vom 28 auf den 29 Mai als scheinbar letzte aktive Messung des Ladereglers erkennbar Hier setzt eine weitere Schutz funktion des Ladereglers f r die Pufferbatterie ein die ein Abfallen der Batteriespannung unter 10 5 Volt und damit eine so genannte Tiefentladung verhindert indem er die Ver sorgung der Verbraucher unterbricht und lediglich die positiven Ladestr me seitens der Solarmodule zul sst Die Verbraucherversorgung wird erst beim Erreichen einer Batterie spannung von 12 5 Volt wieder freigegeben Ein hnliches Verhalten konnte bei der Ver sorgung des Sensorknotens 4 nicht erkannt werden wobei die Spannungsentwicklung die ses Knotens zu diesem Zeitpunkt noch nicht aufgezeichnet werden konnten Als Schluss folgerung ergab sich die Solarversorgung des Sensorknotens 3 e
259. stungen zwischen 6 und 10 Watt auf Container 9 Sensorknoten 3 Abbildung 47 links die zusammen eine Leis tung von 38 Watt ergeben sowie ein gro es Solarmodul mit einer Leistung von 50 Watt auf Container 8 Sensorknoten 4 Abbildung 47 rechts 50W Solarmodul Abbildung 47 Solarmodule auf Container 9 und 8 Diese hohen Leistungsabgaben waren eine Schlussfolgerung der aufgestellten Leistungs bilanz der verbauten Instrumente siehe Kapitel 7 1 3 und sollten der Forderung Rech nung tragen dass eine autarke Stromversorgung mindestens die doppelte Nachladungska pazit t des maximalen Stromverbrauchs besitzt Dies ist deshalb notwendig da die angegebenen Leistungen eines Solarmoduls nur bei direkter Sonneneinstrahlung sichergestellt sind Bei bew lktem Himmel sinkt die Solarla dung stark ab und in der Nacht findet keinerlei Ladung statt Die genutzten autarken Sen sorknoten wurden mit Pufferbatterien vom Typ Varta Drymobil Web 22 mit einer Puf ferleistung von lediglich 85 Amperestunden ausgestattet Hier ist eine wesentlich gr ere Pufferleistung anzustreben wenn mit sehr langen Ausfallzeiten der Solarladung etwa in Gebirgsregionen durch starke Schneef lle oder h ufige Nebelb nke gerechnet werden muss Durch den Anschluss der seriellen Schnittstelle des Ladereglers siehe Kapitel 5 5 konn ten Spannung und Ladestrom der Kombination aus Pufferbatterie und Laderegler ber wacht werden Die Daten wurden neben den Messungen de
260. swertung derartiger Belastungstests wurde bereits untersucht und es wurden mehrere Messsysteme auf Basis geod tischer oder geotechnischer Sensoren reali siert etwa photogrammetrisch 20 mit Wegsensoren und Lichtwellenleitern 22 mit einem Schlauchwaagensystem 23 mit Dehnungsmessstreifen 24 mit Motorisierten Tachymetern 21 mit Hilfe von GPS Sensoren 25 oder nivellitisch 26 2 4 Systeme f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen Als Anbieter von geod tischen Systemen zur berwachungsmessung sind zun chst einige Herstellerfirmen von Sensorik zu nennen Beispiele hierf r sind die Systeme GeoMOS und SPIDER von Leica Geosystems 27 28 3D Tracker der Firma Pinnacle 29 GPSNet der Firma Trimble 30 DANA2000 der Firma Furuno Electric 31 Derartige Systeme sind in der Regel zumeist rein auf ihre Firmen Sensorik ausgelegt und nutzen au erdem teilweise bereits integrierte oder speziell ausgesuchte Verfahren zur Da ten bertragung Dadurch besitzen sie den Vorteil einer zumeist sehr ausgereiften Konzep tion der drei Schritte Datenerfassung aufbereitung und auswertung Alle Komponenten von Hard und Software sind in der Regel optimal aufeinander abgestimmt Dies umfasst insbesondere folgende Punkte a Konfiguration und Betrieb der eingesetzten Sensorik Hardware Durch die genaue Kenntnis der eingesetzten Sensorik teilweise auch in nicht ffent lich zug nglichen Bereichen k nnen die Stromversorgung im Betr
261. t t Stopbit gt Netzwerk o TCP IP Adresse des COM Servers bzw Repeater Rechners o Socket bzw Portnummer f GPS Koordinate gt f r Referenz bez glich der Auswertung der Basislinien erforderlich gt f r Rover gen hert f r Header in der GKA Datei notwendig g Aktuelle Speicherdatei auf der Zentralstation nur Ordnerstruktur wichtig Datei name als Dummy h Dateigr en in Minuten etwa 10 15 30 60 min usw i GPS Startsekunde der aktuellen Speicherdatei 0 zur bergabe j GPS Woche der aktuellen Speicherdatei 0 zur bergabe 2 Initialisierung 1 Verbindung zum Sensor gt Parameter der seriellen Schnittstelle bzw der Netzwerkadresse aus 1 e 2 Verbindungstest gt Aufzeichnungsbefehl in Abh ngigkeit vom Empf ngertyp aus 1 c f r eine einzelne Nachricht mit Informationen zur Position und GPS Zeit gt Empfang und Auswertung der Nachricht o Ergibt sich ber einen vorgegebenen Zeitraum keine Antwort oder ist die Antwort nicht lesbar so gilt die Verbindung als fehlerhaft und muss ge pr ft werden gt bernahme der aktuellen GPS Woche und GPS Sekunde 3 Erzeugen einer Speicherdatei gt Name besteht aus dem Empf ngernamen aus 1 a der aktuellen GPS Woche aus 2 2 und der GPS Startsekunde o Die GPS Startsekunde ergibt sich aus den Vorgaben zur Dateigr e aus 1 h 0 entspricht dabei 00 00 am Sonntagmorgen eine Aufzeichnung von z B 15 min ergibt dann die Dateinamen 0 900
262. t als so genannte IP Kamera ausgepr gt was bedeutet dass sie ohne Anbindung an einen Rechner funktioniert Sie l sst sich mit Hilfe eines Tools bzw in ei nem Internetbrowser auf eine bestimmte IP Adresse festlegen Anschlie end kann das Bild dieser Webcam in jedem Online Browser betrachtet werden Diese Form der IP Kamera bietet dar ber hinaus den Vorteil einer parallelen Ansprechbarkeit in einem LAN und einem WLAN da sie sowohl einen RJ45 Anschluss f r ein TwistedPair Netzwerkka bel als auch eine eigene WLAN F higkeit besitzt Dies erm glicht ihre optimale Einbin dung in ein WLAN basiertes Sensornetzwerk Die Bilder dieser Kamera die ggf auch bewegungsbasiert aus Ver nderung in zwei aufeinander folgenden Bilderfassungen ausge l st werden k nnen dienen dann beispielsweise einer Verkehrsdatenerfassung 17 IP Internet Protokoll siehe auch TCP IP Kapitel 4 3 2 2 und Glossar Anlage 10 Seite 45 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Nach der Betrachtung der Sensorkomponenten im GeoSN ist der Aspekt der Kommunika tion bzw Daten bertragung zwischen den Sensoren und der Zentralstation der zweite wichtige Teilaspekt bei einer berwachungsmessung insbesondere bei angestrebter Real Time oder Near Real Time Auswertung 4 1 Allgemeines Technisch betrachtet ist Daten bertragung der Transport von Nachrichten von einer Quel le zu einer Senke mit Hilfe der te
263. t besitzen was bedeutet dass sie eine effektive Ausdehnung von der halben Wellenl nge der Tr gerwelle haben sollten Es ist zwar m glich mit nicht spezifizierten Antennen Signale aufzunehmen aber die Empfangsleistung sinkt dabei stark ab e Frequenzen werden international vergeben und sind nicht beliebig nutzbar Ei ne private Nutzung von Frequenzen die lebenswichtigen Bereichen zugewie sen sind z B Kommunikation im Luftverkehr oder von Notrufdiensten ist strafbar f Das Medium Luft ist nicht abgeschlossen Somit kann eine Funk bertragung von jedem DCE mit entsprechender Empfangsm glichkeit aufgenommen wer den Da in dem GeoSN UniBw die Daten bertragungstechniken nicht entwickelt sondern le diglich vorhandene Verfahren Anwendung finden werden zus tzliche Betrachtungen etwa zur A D Wandlung und Frequenzabtastung innerhalb der DCEs nicht weiter vertieft Es muss ihre Funktionalit t vorausgesetzt werden Einem Nutzer werden in der Regel vier drahtlose DCEs angeboten 1 Mobilfunkmodem 2 Datenfunkger t 3 WLAN Ausstattung 4 Bluetooth Ausstattung Die Mobilfunkmodems nutzen die Infrastruktur des GSM Mobilfunknetzes um Daten zu bertragen Da diese Nutzung allerdings auf diese durch den Nutzer nicht beeinflussbare Strukturen angewiesen und dar ber hinaus nicht kostenlos ist soll sie hier nicht weiter betrachtet werden Es werden lediglich die Aspekte Datenfunk WLAN und Bluetooth diskutiert 4 3 3 2 1 Datenfunk
264. t werden k nnen Die Thematik der Eigenintelligenz von Sensoren wird im Kapitel 3 noch genauer erl u tert Das Kommunikationsprinzip auf Netzwerkbasis stellt die Forderung nach eindeutiger Ad ressierung der Knoten siehe Kapitel 4 Diese Methodik erm glicht es prinzipiell jeden Sensorknoten einzeln anzusprechen bzw seine Messwerte zu identifizieren was insbe sondere bei einer gro en Anzahl von Knoten unerl sslich ist Die Nutzung einfacher kosteng nstiger Funksysteme die in sich keine M glichkeit der Adressierung einzelner Sensorknoten bieten macht in vielen WSN die Notwendigkeit deutlich auch die Adressierung der Sensoren rein ber die Rechnerkomponenten zu ge w hrleisten Vorgaben zur Art der Kommunikation gibt es allerdings nicht so dass in WSN etwa auch optische Daten bertragungen mittels Lichtimpulsen verwendet werden Die einzelnen Knoten werden meist nicht nur ber Kennziffern wie eine Rechner IP Adresse in einem LAN Local Area Network adressiert sondern auch ber ihre Positi on innerhalb der Netzwerktopologie nur relativ aus Nachbarschaftsbedingungen sowie ber die angeschlossenen Sensoren Dies erm glicht den schnelleren Austausch ausgefal lener Knoten bzw die schnelle Erweiterbarkeit des Systems um zus tzliche Knoten Es ist eine Funkdisziplin aller Knoten zwingend erforderlich da die Frequenzbandbreite bei drahtloser Kommunikation in der Regel stark begrenzt ist So d rfen Knoten nur
265. taltet werden In diesem Test wurde die prinzipielle Kombinierbarkeit aller in Kapitel 4 angesprochenen Kommunikationsmedien im Programmsystem LabVIEW erfolgreich nachgewiesen so dass eine Erweiterung des zurzeit auf LAN WLAN und drahtgebundene serielle Verbin dungen begrenzten Programmsystem GeoSN UniBw um Datenfunk und Bluetooth prinzi piell ohne Probleme m glich ist GeoLab Motorisierter Drehtisch Logger BERNER Verfahreinheit Nivellier MFF2 12 NA3000 H oo H o Tachymeter 4 TCRP1202 Ge 1 1 x Labview Serielle Verbindung 1 USB Verbindung gt LAN Verbindung Funkverbindung Bluetooth Verbindung WELAN Verbindung 0 Nivellier DNAD3 Tachymeter TCA1800 Tachymeter Abbildung 52 Aufbau des Kommunikationstests Seite 154 GeoSN UniBw Anlage 7 Anlage 7 Konfigurationen von analogen Sensoren Konfigurationen von analogen Sensoren finden in zwei Formen statt 1 mechanische Einstellm glichkeiten am Sensor 2 softwaretechnische Vorgaben am zugeh rigen A D Wandler Die Konfiguration der Kombination eines analogen Sensors und zugeh rigem A D Wandler umfasst vor allem den Messbereich und die Umwandlungsfunktion der analogen Stromsignale des Sensors in digitale Messwerte Zus tzlich ist dabei ggf die Stromversor gung der angeschlossenen Messger te festzulegen Die Konfiguration k
266. te Werte von 0 bis 255 an Da diese Methodik eine hohe Eigenintelligenz seitens der Funkgr te erfordert ist sie f r Da tenfunkger te ein Ausnahmefall Seite 71 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN DCE 2 DF Ger t Adresse 2 DCE 1 DCE 3 Datena a DF Ger t DF Ger t Adresse 1 Adresse 3 Modulierte Daten b i Daten a DCE Header mit Zieladresse 3 DCE x 1 Adresse x 1 Abbildung 19 Hardwaretechnische Adressierung von DF Ger ten Die zweite Methode die Adressierung zu regeln ist eine zus tzlich Integration von Soft ware seitens der Applikationen auf Quelle und Senke die dem versendeten Datenpaket eine Softwareadresse zuweist In diesem Fall leitet zwar jedes Senken DCE die Daten nach Empfang an die Applikation seines DTE weiter aber diese berpr ft ob sie ange sprochen wurde Nur die angesprochene Senke wertet die Daten weiter aus Dieser Ansatz entspricht damit wesentlich mehr der netzwerkbasierten Kommunikation Diese Methodik wird in WSN genutzt in denen die Rechnerkomponente der Sensorknoten entsprechend programmiert werden kann In einem GeoSN ist die softwarebasierte Adressierung von Funkverbindungen zun chst nicht geplant Dies liegt darin begr ndet dass hier die Tren nung zwischen Sensor und Rechner durch die Auspr gung der Sensorik als komplette Sys teme nicht vorgenommen wird siehe Kapitel 3 Da auf die interne Programmierungen der Sensorsysteme nur in den
267. te 37 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Die permanente bermittlung der Korrekturen ist der zweite Aspekt der beim RTK Prin zip beachtet werden muss Aufgrund der hohen Dynamik der GPS Signale muss die ber tragung zeitnah geschehen Da die Algorithmen immer ein iteratives Vorgehen zur L sung anwenden ist die Bereitstellung von Korrekturen au erdem f r einen gewissen Zeitraum ununterbrochen notwendig Hierbei k nnen zwar gewisse Mindestzeitans tze vorgegeben werden eine L sung innerhalb dieses Zeitraums ist aber nicht zu garantieren da die Zeit bis zur L sung auch immer sehr stark von der aktuellen Satellitenkonstellation und der Messumgebung der zwei Empf nger beispielsweise zus tzliche Abschattungen abh ngig ist Korrekturdaten werden im Allgemeinen immer in einem bin ren Format erzeugt um die Datenmengen zu minimieren Dabei werden die Dateninhalte mitunter sogar Byte bergreifend verteilt So werden etwa im RTCM Format die so genannten Datenw rter nicht auf bestimmte Bytes innerhalb einer Nachricht gezwungen wie es bei bin ren Daten blicherweise der Fall ist sondern bitweise im kompletten Datenstrom verteilt So ist bei diesem Format das 6 aus 8 Prinzip m glich das immer nur 6 Bits eines Bytes zur Da ten bertragung nutzt und zwei Bits zu Synchronisationszwecken vorbeh lt Trotz der Mi nimierung der Datenmenge einer Korrekturnachricht umfassen die notwendigen Daten f r RTK Algorit
268. tenteile dient 6 Anlegen einer GOCA Datei gt berpr fung in Abh ngigkeit der Systemzeit des Rechners der Zentralstati on ob bereits eine GKA Datei des aktuellen Datums vorliegt o Anlegen einer Datei bestehend aus Jahr Monat und Tag 31 11 2007 ergibt 071131 gka nur falls noch nicht vorhanden o bernahme der notwendigen Header Informationen zum Namen der Art Referenz oder Rover und den Koordinaten der genutzten Empf nger 32 Informationen aus 1 a b und f Seite 144 GeoSN UniBw Anlage 5 3 Abfrage der Sensorknoten in einer Lesen amp Speichern Routine 1 Empfangen von Daten von der Schnittstelle bzw der Internetadresse gt Einhalten minimaler Wartezeiten um das Abfragen der nachfolgenden Emp f nger nicht zu verz gern dabei allerdings immer Auslesen des kompletten Puffers um ein berlaufen zu verhindern o Bei einer sp teren Einbindung von ferngesteuerten Sensoren etwa den Tachymetern m ssen an dieser Stelle vor dem Empfang von Messwerten zun chst die entsprechenden Messbefehle in der vorgegebenen Form ber sendet werden 2 Anh ngen der empfangenen Daten an den derzeitigen Zwischenspeicher 3 Analyse des aktuellen Zwischenspeichers gt Suche nach der ersten kompletten Nachricht innerhalb des Zwischenspei chers o Auffinden ber empf ngerspezifische Header Informationen und der mit geteilten Nachrichtenl nge gt K rzung des Zwischenspeichers auf den verbleibenden
269. ter ffnungen in Reaktion auf CO2 und Feuchtigkeits Messungen Hierbei zeigt sich bereits die weit reichende Konfigurierbarkeit eines derartigen WSN So k nnen etwa Licht und Heizung geregelt oder auch automatisch Radio oder Fernsehen eingeschaltet werden bis hin zur automatischen Zubereitung von Mahlzeiten oder der Be reitstellung von Kleidung Sensorenvernetzungen von Wohnanlagen oder Arbeitspl tzen werden vermutlich in Zu kunft aufgrund immer teurer werdender Energieressourcen an Bedeutung gewinnen in Seite 10 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke dem alle energieverbrauchenden Systeme berwacht und auch ohne Eingriff eines Nutzers vor Ort optimal geregelt werden 1 2 2 WSN als Modellierungssysteme Das zweite gro e Einsatzgebiet von WSN ist die Erfassung von Messdaten zur Modellie rung eines zu untersuchenden Sachverhalts Die Bandbreite der zu modellierenden Sach verhalte ist dabei sehr vielf ltig Besonderes Interesse liegt zumeist in der Beobachtung nat rliche Ph nomene etwa des Klimas oder der Wanderbewegung von Wildtieren Die Modellierung dient dazu den Sachverhalt an sich besser zu verstehen zuk nftiges Verhal ten zu prognostizieren und Ursachen von Ver nderungen zu erkennen Die Kombination von Sensoren und Auswerteeinrichtungen zur Wettermodellierung wird etwa beim deutschen Wetterdienst bereits gro fl chig genutzt Web 3 Im Gegensatz zu solchen bestehenden Systemen ergibt sich bei der Nutzung ein
270. tet Die F higkeit zum Messen dreidimensionaler Vektoren in dieser Genauigkeitsklasse macht sie als Sensor komponente eines GeoSN f r berwachungsmessungen nutzbar Bei Motorisierten Tachymetern siehe Tabelle 1 erm glichen die integrierten Servomoto ren au erdem automatische Bewegungen des Ger tes in den zwei Messebenen und damit ein autarkes Arbeiten ohne manuelle Nutzerinteraktion Leica Leica Leica Zeiss Trimble TPS1200 TPS1100 TPS2000 S10 Tabelle 1 Beispiele f r Motorisierte Tachymeter Lasertracker arbeiten nach dem gleichen Prinzip erm glichen allerdings Streckenmessun gen im 1 100 mm Bereich und durch das permanente Tracking eines einzelnen Zielzei chens Aufzeichnungsraten von bis zu 1000 Hz berwachungsmessungen sind Spezialanwendungen f r Tachymeter Sie besitzen einige f r einen Sensor eines GeoSN unn tige Auspr gungen wie Tastaturen Displays und ma nuelle Bedienungsm glichkeiten ber Feintriebe die f r einen rein rechnergesteuerten Zugriff berfl ssig sind Die Konzeption f r den manuelle Betrieb f hrt bei diesen Ger ten zu weiteren rein physi schen Besonderheiten da sie gro e u ere Abmessungen und ein hohes Gewicht besitzen was der Stabilit tsforderung des Ger ts w hrend einer Aufstellung Rechnung tr gt Diese Seite 27 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN physische Auspr gung widerspricht dem Miniaturisierungsgedanken eines Knotens im
271. tierenden Ans tzen und Systemen f r geod tische berwachungssysteme er gibt sich ein Geo Sensornetzwerk f r ingenieurgeod tische berwachungsmessungen Seite 11 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk 2 Geo Sensornetzwerke Der hier genutzte Begriff Geo Sensornetzwerk nachfolgend mit der Abk rzung GeoSN bezeichnet ist wie der in der Geod sie bereits genutzten Begriff Geo Sensornetz eine Namensentwicklung aus dem Begriff Netz im geod tischen Sinne einer Anordnung von Punkten mit Verbindungsvektoren und im Sinne der Kommunikation mit Kommunikati onsverbindungen zwischen den Messstationen Bereits existierende Geo Sensornetze auf Basis von Sensoren mit der F higkeit zu genau en Positionsbestimmungen sind insbesondere die Netze permanent messender GPS Stationen wie es sie auf globaler Ebene in Form des IGS und auf nationaler Ebene etwa in Form des SAPOS Netzes gibt Obwohl auch mit diesen Netzen in der Regel das Ziel einer Modellierung etwa des Erdk rpers oder der GPS Satellitenbahnen verfolgt wird ist das Verh ltnis von Sensoren zu beobachteten Messgebiet in der Regel sehr gro Mit einem GeoSN soll ein sehr viel kleinr umigeres Gebiet beobachtet werden was vielmehr dem Einsatz eines WSN in Verbindung mit vorher festgelegten Knotenpositionen beziehungs weise einer nachgesteuerten Positionierung der Knoten im Betrieb entspricht Der Begriff GeoSN ergibt sich somit folgenderma en Der Namensteil Geo soll die Zi
272. tiger Aspekt tritt bei der Nutzung von DF Ger ten als DCE dadurch auf dass alle Ger te ggf die gleiche Frequenz und damit die gleiche Datenleitung nutzen Hierdurch kann zwar die Simplex bertragungsmethodik einer Quelle an mehrere Senken siehe Abbildung 13 optimal ausgenutzt werden wie es etwa bei der bertragung von GPS Korrekturdaten der Fall ist Es erschwert allerdings den Gebrauch einer DF Strecke f r eine Half Duplex Kommunikation Der parallele Gebrauch einer Datenleitung durch mehrere DCEs widerspricht dem Ansatz der RS232 Daten bertragung in der jede Ver bindungsstrecke hardwaretechnisch voneinander getrennt ist Es m ssen somit zus tzliche Betrachtungen zur Adressierung des angesprochenen DTE durchgef hrt werden Eine Methode der Adressierungsnotwendigkeit zu begegnen ist es sie hardwaretechnisch zu l sen Dies wird bei einigen DF Ger ten etwa der RSX Serie der Firma Wood amp Douglas 89 dadurch erreicht dass jedes Ger t eine spezifische Funkadresse er h lt Das DCE an der Quelle versendet in diesem Fall jedes Datenpaket mit einem zus tz lichen DCE internen Header der an jedem Senken DCE zun chst analysiert wird Stim men die Adressierungen nicht berein wird das Datenpaket schon im DCE verworfen siehe Abbildung 19 Hierbei ergeben sich aber hnliche Zw nge wie schon bei den COM Schnittstellen unter Windows da die Adressierungen zumeist sehr begrenzt sind Die RSX Ger te bieten Adressen im Bereich von 2 By
273. tigten Kommunikationsmoduls Modulations und Demodulationseinheit immer gemeinsam betrachtet werden m ssen da eine beliebige Mischung nicht m glich ist F r einen Nutzer stellt sich das Medium des Verbindungswegs zwischen zwei Kommuni kationsteilnehmern grunds tzlich in zwei Formen dar der leitungsgebundenen Daten ber tragung durch ein festes Medium und der drahtlosen bertragung durch das Medium Luft bzw Vakuum Bauds Baud per Second Seite 67 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN 4 3 3 1 Leitungsgebundene Daten bertragung Leitungsgebundene bertragungstechniken nutzen vor allem Stromsignale innerhalb von Metallleitungen i d R Kupfer und Lichtimpulse innerhalb von Glasfasern Ohne die Techniken der Signalgenerierung und bergabe an das Medium n her zu spezifizieren bleibt aufzulisten welche Vor und Nachteile sich aus einer leitungsgebundenen Kommu nikation f r einen Nutzer ergeben Vorteile 1 Abgeschlossenes Medium Eine Leitung stellt sich als geschlossenes Medium dar was insbesondere bez glich u e rer St reinfl sse einen besonderen Vorteil besitzt Vereinfachend kann ber den komplet ten bertragungsweg von nahezu gleich bleibenden u eren Bedingungen ausgegangen werden was es erm glicht die Signalabschw chung ber den Weg genau zu berechnen In einem derartigen abgeschlossenen Medium ist au erdem die Sendest rke sehr variabel da au er bei sehr hohen elektrisch
274. tz das als Shareware kostenlos im Internet angeboten wird Dieses Programm besteht aus den Bestandteilen VNC Server das auf der Zentralstation laufen muss und dem Programm VNC Viewer das auf dem externen Steuerrechner implementiert wird Die Nutzung dieses Programms erm glicht es auf einem externen Rechner den Bildschirm der Zentralstation als Remote Desktop darzustellen und durch Implementierung von Maus und Tastatur Einstellungen auf der Zentralstation vorzunehmen 5 4 3 Fernwartung im Betrieb Da das TridiaVNC Server Programm alle lokal eingestellten IP Adressen unterst tzt ist es auch m glich den VNC Viewer von innerhalb des WLAN zu nutzen Diese Server Viewer Kombination innerhalb des WLAN erm glicht es einem Nutzer mit Hilfe eines Seite 92 GeoSN UniBw Kapitel 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw mobilen Laptop der in das WLAN als WLAN Client integriert wird Konfigurationen am System vor Ort durchzuf hren siehe Abbildung 26 So kann bei der Erweiterung des Systems um zus tzliche Sensorknoten bereits bei deren Aufbau die Verbindung zur Zent ralstation und die Funktionalit t in der Systemumgebung GeoSN UniBw gepr ft werden Zentralstation Wireless CON Server Wireless PC Fernwartung im Messgebiet Knoten 1 Abbildung 26 Fernwartung im Messgebiet 5 4 4 Drahtgebundene Repeater Die Nutzung des Hochschulnetzes der UniBw oder vergleichbarer Netzwerkstrukturen er ffnet au erdem die M glichkeit das
275. tzung manueller Empf nger in berwachungssystemen ist nur in Ausnahmef llen sinnvoll da sie wesentlich teurer als die nachfolgend beschriebenen OEM Empf nger sind Ihre Anwendung beschr nkt sich meist auf zeitlich begrenzte Adaptionen unter Nutzung der RTK Option mit Ausgabe von NMEA Nachrichten Eine derartige Anwendung wird bei der Nutzung des GOCA DC3 bzw des GOCA Monitor Programmsystems angewendet 32 Die zweite Gruppe umfasst die so genannten OEM Boards siehe Tabelle 4 Garmin NovAtel NovAtel Trimble 25LP Superstar II OEM4 SAASM Mod 21 Shown with Tamper Resistant Coating Tabelle 4 Beispiele f r OEM GPS Empf nger OEM Boards sind f r berwachungsaufgaben wesentlich besser geeignet da sie stan dardm ig auf eine externe Rechneranbindung ausgelegt sind Wie der Begriff Board be reits aussagt sind diese Ger te in ihrer Form etwa einer PCI Steckkarte f r einen PC gleichzusetzen Sie besitzen keine Einstellm glichkeiten direkt am Board mit Ausnahme einiger Hardwarekonfigurationen ber Jumper etwa was die Stromversorgung betrifft Die Boards sind lediglich mit Pinanschl ssen an denen Stromeingang und Datenleitungen angeschlossen werden und einem Antennenanschluss ausgestattet Ihre Gr en variieren von 20x10 cm wie beim NovAtel OEM4 Web 8 bis auf 5x3cm f r den NovAtel SUPERSTAR II Web 9 Die Empf nger sind bei den Herstellern zum einen in dieser reinen Board Form erh ltlich was ein
276. u f nf vorangegangenen Bestimmungen von 20 cm festgelegt um die in Tabelle 12 und Tabelle 13 dargestellten groben Fehler herauszufiltern Die gefilterten Beobachtungs reihen der einzelnen Rover werden mit Hilfe gleitender Mittelwertsch tzungen in einer robusten L1 Norm Ausgleichung ber 5 Datens tze gegl ttet Diese Gl ttungen sind not wendig um die Einfl sse von verbliebenen fehlerhaften Basislinienberechnungen zu mi nimieren Es wurde eine Alarmierungsgrenze von 15 mm vorgegeben Diese Grenze wur de lediglich gew hlt um die Funktionalit t der Alarmierung zu pr fen Im Betrieb ist eine Alarmierungsgrenze den tats chlichen Begebenheiten des beobachteten Objektes anzupas sen Graphische Darstellungen der Zeitreihe in GOCA k nnen der Anlage 8 entnommen werden Seite 120 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Werden die gegl tteten Beobachtungen der MVE Datei unter den gleichen Aspekten wie die origin ren Basislinien betrachtet so ergibt sich folgende Tabelle Rover 2000 3000 4000 5000 6000 17000 8000 9000 Alarmierungen 0 6 0 5 0 1 0 0 Max ARW mm 9 9 10 3 5 9 7 4 5 3 11 9 7 4 6 8 Max AHW mm 6 9 10 9 7 0 10 8 6 9 14 9 11 1 7 5 Max Ah mm 14 8 29 5 20 2 14 8 20 3 20 8 15 6 11 7 Srw mm ig 183 dan 193 1 3 120 1 5 1 7 Srw mm 18 182 21 a8 92 137 192 153 Sn mm 38 72 ar a2 a 1a9 37 18 Tabelle 15 Ergebnisse der
277. u wird eine entsprechende Startzeit in Bezug auf die laufend gez hlte GPS Systemzeit von GrafNav mit einigen Sekunden Sicherheit vorgegeben Ist die vorgegebene Startzeit erreicht wird das Programm GrafNav f r die erste cfg Datei gestartet 1 Aufruf von GrafNav ber eine Batch Routine gt GrafNav ben tigt eine feste Zeit zur Erf llung seiner Aufgabe eine Prozes sierung von 15 Minuten IHz Daten ben tigt ca 30 Sekunden auf dem derzei tig genutzten Zentralstationsrechner siehe Kapitel 7 1 7 Seite 147 GeoSN UniBw Anlage 5 2 Vorgabe einer neuen Startzeit f r die n chste cfg Datei hierbei m ssen wiederum einige Sekunden Sicherheit zur n chsten Prozessierung vorgegeben werden da GrafNav keine parallelen Prozessierungen zul sst siehe Kapitel 6 2 3 2 3 Erzeugung mehrere Ergebnisdateien durch GrafNav Berechnung 4 Export einer Ergebnisdatei txt in einem speziell vorgegebenen Exportformat mit den notwendigen Inhalten f r eine GKA Datei z B Informationen zur Kova rianzmatrix 32 gt Diese Datei bildet die Hauptergebnisdatei gt Exportformat muss dazu speziell in GrafNav einmal ber den Export Wizard 41 in GrafNav angelegt worden sein 7 Aufbereitung der Hauptergebnisdatei von GrafNav Sobald die Daten die geforderten Informationen f r die anschlie ende Auswertung enthal ten werden sie in ein f r die nachfolgende Auswertesoftware notwendiges Format umge formt Ausgewertete GPS Basisl
278. uestieneisenaenn a 61 4 3 2 Kommunikationsprotokolle u uun tunen aan 62 4 3 2 1 Serielle Daten bertragung 1 aa 63 4 3 2 2 Daten bertragung im Ethernet LAN sennnssenseennenenenenn 64 4 3 3 berttasunesmedicenr ss lea een 66 4 3 3 1 Leitungsgebundene Daten bertragung eenneneeen 68 4 3 3 2 Drahtlose Daten bertragune n ns RR 69 49 32 12 Daten UE e e e E a e a a a a eaa 70 43 32 25 WEAN seen 73 4 33 2 3 Bluetooth ae EE 76 4 4 Zusammenfassung naar 77 Seite 2 GeoSN UniBw 5 Realisierung des Systems GeoSN UniBw eessennnenneennnnnn 78 Sl Zentelst tpns hessen essen 78 De OS SO DIR N lee 80 32 1 Low Cost GPS Empf nget sen una kinkannke 80 3 2 2 Hish End GPS Empf nger une a 82 5 2 3 Motorisierter Tachymeter und Digitalnivellier nnenene 83 5 2 4 Geot chnische Sensoren es Salate ante 84 5 3 Komm nikationshardware nasser 84 33 1 Kabelverbindins A ea ee 84 3232 Datent nk nee een Hg 85 3 3 32 Ethernet FAN ses 86 33 4 Ifrastrakt relles WLAN nenn 88 5 3 5 Konfiguration des WEAN nennen 90 5 4 Kombination mit drahtgebundenen Netzwerk nnennsennnenn 92 541 Internetanbinduns oe nennen 92 5 4 2 Bernwarl ng 2 2 2220 en nel 92 5 4 3 Fernwartung im Betrieb sich 92 5 4 4 WDrahtgebundeneRepeater sen seines BIRD 93 5 5 Herstellung der Sensorknoten na 93 6 Entwicklung der Programmstruktur des
279. ufenden Gebrauchs f higkeit insbesondere der Ermittlung maximal m glicher Lasten bis zu einer plastischen irreversiblen Verformung Derartige Tests finden teilweise an Modellen zum Zwecke von Voruntersuchungen etwa bei Neubauten aber auch an bereits bestehenden Objekten statt Die Untersuchungen am Objekt sind dabei vorher sehr genau zu planen um eine Behinde rung der fortlaufenden Nutzung oder eine dauerhafte Schadenswirkung zu vermeiden Insbesondere solchen bei denen ein Objektversagen besonders schwere Auswirkungen h tte wie etwa Staumauern Seite 18 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sensornetzwerk Solche Tests sind in heutiger Zeit besonders bei Br ckenbauwerken blich um die Ge brauchsf higkeit auch unter dem Aspekt gestiegener Maximalbelastungen insbesondere durch Schwerlasttransporte zu garantieren Bei Br ckenbauwerken wird dabei zun chst entweder selbst ndig eine vordefinierte Last auf das Objekt etwa mit einem Lastfahrzeug aufgebracht 20 oder es wird eine extern hervorgerufene Belastung w hrend der normalen Nutzung zum Beispiel ber ein Video beobachtet 21 Die am Objekt hervorgerufene Verformung wird ber die Sensoren relativ oder absolut gemessen und auf den Zeitpunkt der Belastung synchronisiert ber den Betrag der Belastung und die gemessenen Verfor mungen k nnen dann Prognosen zum weiteren Verhalten und somit auch ber die zuk nf tige Nutzbarkeit des Objektes aufgestellt werden Die Messung und Au
280. und 5000 erkannt werden Die Periode dieser Effekte betr gt ca 24 Stunden wobei unterschiedliche Amplituden f r die drei Rover erkennbar sind die von Rover 3000 zu Rover 4000 abnehmen Die Amplitude von Rover 3000 ist 2 bis 3 so hoch wie von Ro ver 4000 siehe Abbildung 35 Bei der Darstellung der Ergebnisse in Tabelle 15 ist im Gegensatz zu den Darstellungen der Tabelle 12 und Tabelle 13 zu beachten dass durch die GOCA interne Umrechnung von global kartesischen in Abbil dungskoordinaten die maximalen Abweichungen zwischen den berechneten Basislinien sowie die empiri sche Standardabweichungen einer Einzelmessungen jetzt in Bezug auf Rechts und Hochwert RW und HW sowie H he h angegeben sind Seite 121 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw Verbesserungen der H henkomponente 35 0 Wiederholung periodischer Effekte nach ca einem Tag Rover 3000 Rover 4000 Rover 5000 25 0 15 0 5 0 Verbesserung mm 5 0 15 0 25 0 02 07 2006 03 07 2006 03 07 2006 04 07 2006 04 07 2006 05 07 2006 05 07 2006 12 00 00 00 00 00 12 00 00 00 00 00 12 00 00 00 00 00 12 00 00 Messzeitpunkt Abbildung 35 Periodische Effekte bei Rover 3000 4000 und 5000 Da die drei Rover alle am gleichen Objekt mit geringem Abstand zueinander von ca 27 cm zwischen Rover 3000 und 5000 sowie ca 54 cm von 3000 zu 4000 adaptiert sind sie he Abbildung 36 widersprech
281. und Aufbereitungs programme die ihre Ergebnisdateien im GOCA Format ausgeben Auch das Leica Pro grammpaket GeoMOS nutzt eine derartige Unterteilung indem es zum einen das Subpro gramm GeoMOS Monitor und zum anderen GeoMOS Analyzer anbietet Eine Trennung des Analysevorganges in seine Teilabschnitte macht es notwendig die Datenschnittstellen zwischen den Bestandteilen genau zu definieren da Daten dabei zu meist ber Speicherdateien ausgetauscht werden Je spezieller die einzelnen Bestandteile aufeinander abgestimmt sind desto besser k nnen bergebene Daten komprimiert werden So k nnen Daten etwa bin r abgespeichert werden wenn das Austauschdatenformat ge nau bekannt ist Gibt es keine faktische Trennung zwischen den Einzelschritten so k nnen Daten ohne Speicherdateien und lediglich ber den Zwischenspeicher eines Rechners aus getauscht werden Offene Systeme wie das Programm GOCA nutzen ASCII Dateien um einem Nutzer die M glichkeit zu geben auch Daten aus anderen Quellen mit dem Pro gramm auszuwerten Mit der offenen Datenschnittstelle von GOCA ist es zum Beispiel m glich ausgewertete GPS Basislinien aus verschiedenen GPS Programmen etwa Geo Office von Leica Geosystems 40 oder GrafNav von NovAtel 41 als Beobachtungen einer berwachungsmessung zu bergeben Es muss nur ein entsprechendes Konvertie ASCII American Standard Code for Information Interchange siehe 4 2 Seite 20 GeoSN UniBw Kapitel 2 Geo Sen
282. und bei geringen Sendereichweiten verwalten zu k nnen ist ein infrastruktureller Netzwerkaufbau der auf Zugriffspunkte Seite 8 GeoSN UniBw Kapitel 1 Sensornetzwerke Router bei Verkabelung oder Access Points im WLAN ausgelegt ist h ufig nicht m g lich Es muss vielmehr zumeist ein Ad Hoc auch Peer to Peer genannt Netzwerk aufgebaut werden Bei derartigen Netzwerken ist horizontale Kommunikation zwischen allen Teil nehmern in Kommunikationsreichweite m glich Es gibt keine Unterteilungen in Subnet ze die voneinander getrennt arbeiten Kommunikation zu weit entfernten Rechnern ist nur durch Weiterleitung dieser Daten ber Zwischenstellen m glich Im normalen Gebrauch sind derartige Netzwerke insbesondere als Spezialfall eines WLAN bekannt wenn sich mehrere Rechner ohne einen zus tzlichen Access Point etwa bei einer Konfe renz untereinander vernetzen siehe Abbildung 2 E IR _ Abbildung 2 Netzwerktopologie Ad Hoc links und infrastrukturell rechts siehe 8 Mitunter werden aber auch in WSNs infrastrukturelle Netzwerkformen durch Knoten punkte realisiert die hnlich der Zellenstruktur bei Mobilfunknetzen spezielle meist fest installierte Beacons bilden Diese in der Regel hardwaretechnisch umfangreicheren Stati onen etwa Stromversorgung mit Feststrom und Anschluss an das Internet regeln die komplette Kommunikation in ihrem Umfeld und leiten die Daten dann ggf auch ber ein drahtgebund
283. ur bei kurzen Punktabst nden sinnvoll ist Es ist aber anzumerken dass auch Bluetooth prinzipiell h he re Reichweiten erm glicht Web 20 Trotzdem ist eine umfangreiche Nutzung dieser Technologie im GeoSN UniBw nicht angestrebt Wie beim Datenfunk ist bei der Nutzung von Bluetooth darauf zu achteten dass es nicht m glich ist die Hardwareleitungen einer seriellen Schnittstelle herzustellen 4 4 Zusammenfassung Bei einer Konzeption der Kommunikationsmedien f r das GeoSN muss insbesondere die Forderung nach Adressierbarkeit im Vordergrund stehen Des Weiteren sind Reichweiten und bertragungsbandbreite insbesondere in Folge des Ziels der Nutzung von GPS Sensoren zu beachten Zuletzt ist wie bei den Sensoren siehe Kapitel 3 4 der Kostenas pekt und der Installationsaufwand bez glich Hard und Software zu beachten Obwohl eine parallele Nutzbarkeit aller betrachteten Kommunikationsm glichkeiten im Test der Anlage 6 nachgewiesen wurde f llt die Wahl der genutzten Kommunikationsmit tel insbesondere auf WLAN sowie in begrenztem Ma e auf drahtgebundene Leitungen Die drahtgebundenen Leitungen ergeben bei der berbr ckung kurzer Strecken in Form von seriellen Verbindungen Sensoren an zentralen Rechnerpunkten wie der Zentralstati on und der Nutzung bestehender LAN Leitungssysteme an der UniBw das Hochschul netzwerk die geringsten Kosten und einen begrenzten Aufwand Beim Wechsel zur drahtlosen Kommunikation zur berbr cku
284. urch den Aufbau von GALLILEO und die Erneuerung von GLONASS sowie die Intensivierung der Nutzung von Solarenergie bieten f r die Industrie das notwendige Potential f r derartige Weiterentwicklungen und Kosten senkungen Bez glich der Entwicklung von WSN nennen R mer et al 119 WSN einen L ckenschlie er zwischen realer und virtuell modellierter Welt und M Hansen vom CENS Center for Embedded Networked Sensing 120 prognostiziert dass in Zukunft die komplette reale Welt mit diesem virtuellen Modell der Welt verbunden sein wird was f r das Entwicklungs und Anwendungspotenzial von WSNs in der Zukunft spricht Das zweite Feld f r Weiterentwicklungen liegt bei Datenaufbereitung und Datenauswer tung So k nnen etwa erkennbare Einfl sse von Multipath herausgerechnet und damit die Genauigkeit der Ergebnisse des Systems gesteigert werden Wenn in den nachfolgenden Auswertungen die Ver nderungen von Koordinaten zu einem bestimmten Zeitpunkt an aufeinander folgenden Tagen verglichen werden kann eine scheinbare Ver nderung durch konstanten Multipatheinfluss auf die Empf ngerposition weitgehend ausgeschlossen wer den Dar ber hinaus k nnen durch die Verf gbarkeit der Rohdaten aller GPS Empf nger auch Basislinien zwischen Objektpunkten berechnet werden die anschlie end in einer Netzausgleichung zur Verbesserung der Basislinien zu Stabilpunkten noch vor der eigent lichen Datenauswertung genutzt werden k nnen Optimierungen der Aus
285. urchf hrt und somit die von der Zentralstation bertragenen Kommandos in Sensor nicht entschl sselt werden k nnen Funk bertragungsrate und Schnittstellengeschwindigkeit zum Sensor m ssen sich bei Datenfunk in der Regel genau entsprechen Bei der Nutzung von COM Servern die in der Regel das komplette serielle Geschwindig keitsspektrum 1200 115200 Bps der Sensoren zulassen kann zwar die Geschwindig keit noch im Betrieb festgestellt und gegebenenfalls mit entsprechenden Befehlen an die Sensoren auch ver ndern werden dies bringt aber unn tige Verz gerungen mit sich falls sich zum Beispiel ein adaptiver COM Server bereits auf eine falsche Geschwindigkeit eingestellt hat Somit muss diese Gr e auch bei COM Servern vor dem Einsatz vorgege ben werden Unter dem Aspekt Kommunikationssprache sind hier zwei Aspekte zusammen zu betrach ten Zum ersten ist es notwendig dass Sensor und Steuerprogramm verst ndlich miteinan der kommunizieren siehe Kapitel 4 2 Damit ist vor allem die Art der Befehlsstruktur gemeint und zwar ob diese bin r oder in ASCII strukturiert ist Der zweite Punkt bei der Kommunikationssprache ist der Befehlssatz und die Struktur eines Einzelbefehls siehe Tabelle 7 Der Sensor muss die Befehle die die Steuersoftware an ihn sendet entschl s seln k nnen 6 2 Aufgaben des Systemprogramms GeoSN Unibw Das Systemprogramm setzt sich aus 4 Teilabschnitten siehe Abbildung 29 zusammen 1 Initialisieru
286. uswertesoftware unmittelbar nach Aktivierung des Systems Bei der Initialisierung des Systems m ssen an der Zentralstation zun chst einige globale Variablen vorgegeben werden in denen die Anzahl und der Typ der eingesetzten Senso ren die genutzten Kommunikationsmittel und einige interne Systemparameter etwa Spei cher und Programmordner festgelegt werden Seite 99 GeoSN UniBw Kapitel 6 Entwicklung der Programmstruktur des GeoSN UniBw Die Initialisierung des Systems GeoSN umfasst dazu die folgenden Ma nahmen a b c d Anlegen von Speicherdateien f r alle Sensorknoten Dies ist notwendig wenn die einzelnen Messungen erst nach einer Vorverarbei tung bei den im GeoSN eingesetzten GPS Empf ngern ist die die Basislinienpro zessierung in einer zentralen Messwertdatei siehe Punkt b abgelegt werden k n nen Anlegen der zentralen Messwertdateien f r alle Sensorbeobachtungen gleichen Typs Diese Messwertdateien dienen dem Datenaustausch mit der nachfolgenden Aus wertesoftware Im Falle des GeoSN ist es etwa eine GOCA GKA Datei f r die Be obachtungen von GPS Sensoren Aktivierung der einzelnen Sensorknoten Die Aktivierung der Knoten umfasst den Aufbau der speziell f r jeden Sensor fest gelegten Kommunikation rein seriell oder ber Netzwerk und das bersenden etwaiger Aktivierungsbefehle etwa bez glich der Datenaufzeichnungsrate bei GPS sowie eine generelle Abfrage der Funktionalit t des entspr
287. verschiedenartig ausgeben H ufig tritt dies bei komplexen Sensoren wie den Tachymetern auf Werden zwei Tachymeter vom Typ Leica TCRA1101 und Zeiss S10 verglichen so generieren zwar beide bei Anmessung eines Zielpunktes die Messwerte Richtung Zenitwinkel und Strecke aber die Darstellung und Form dieser Messwerte ist ger teabh ngig Tachymeter der Firma Leica Geosystems geben ihre Messwerte im GSI Format 50 aus w hrend Instrumente der Firma Zeiss das M5 Format 55 nutzen siehe Tabelle 6 Codierung und zugeh riger Ergebnisstring der Messung von Horizontal und Zenitwinkel sowie Schr gstrecke zum Messpunkt PI1 Leica GSI16 110001 0000000000000P11 21 322 0000000012358142 22 322 0000000009290251 31 06 0000000000053004 Zeiss M5 FOR M5lAdr 121 PI1 ID 53 004m Hz 123 58142 gon V1 92 90251 gon Tabelle 6 Beispiele f r Messwertcodierung bei Tachymetern Die firmenspezifische Codierung tritt dabei nicht nur bei Messwerten auf sondern liegt in hnlicher Form auch bei externen Steuerbefehlen und den zugeh rigen Instrumenten Antworten vor siehe Tabelle 7 Diese unterschiedliche Codierung prinzipiell identischer Steuerbefehle bei gleichartigen Sensoren unterschiedlicher Hersteller f hrt dazu dass ihre Generierung und die Analyse der zugeh rigen Ger teantworten durch einen Nutzer in der Regel zun chst nur ber fir menspezifische Programme durchgef hrt werden k nnen Sollen die Sensoren unabh ngig
288. von Messungen der Sensorknoten an die Zentralstation als Regelfall angenommen werden Ein sehr wichtiger Aspekt des GeoSN Steuerprogramms muss deshalb die st ndige Abfra ge der genutzten Kommunikations Verbindungen aller angeschlossenen Sensorknoten auf Messwerte sein Trotz Multitasking F higkeiten eines Rechners ist in einem Programm dabei von sukzessivem Abfragen der Knotenverbindungen auszugehen Ein zu gro es Ansammeln von Datenmaterial etwa auf einer seriellen Schnittstelle f hrt in der Regel zum Puffer berlauf und damit Ausfall dieses Anschlusses so dass anfallende Daten auf einer Verbindung nach m glichst kurzer Zeit bernommen werden m ssen Gleichzeitig darf pro Schnittstelle nur eine begrenzte Zeit zum Auslesen der Daten verwendet werden um bei der gro en Anzahl von verwendeten Schnittstellen keine zu gro e Verz gerung am nachfolgenden Anschluss zu erzeugen Damit ergibt sich die Situation dass von den ein zelnen Sensoren h ufig zun chst nur Teilst cke kompletter Sensormessungen ausgelesen werden k nnen Da anschlie end die abgefragten Daten ber Programmschleifen mitge f hrt werden m ssen um die Analyse kompletter Nachrichten zu gew hrleisten muss die Analyse bereits empfangener Daten und die Speicherung kompletter Nachrichten in zuge h rige Rohdatendateien ebenfalls permanent durchgef hrt werden Es ist zu beachten dass das Programm bei einer zu gro en mitzuf hrenden Datenansamm lung im Systemspeicher per
289. von derartigen Programmen genutzt werden so muss die Codierungsvorschrift ihrer Messungen und Steuerbefehle zwangsl ufig zur Verf gung stehen Dazu legen die meisten Hersteller diese innerhalb der Sensorhandb cher oder in speziellen Programmierhandb chern offen Um die Sensoren aber weitestgehend an die firmeneigenen Programme zu binden sind diese Codierungen im Allgemeinen nur schwer analysierbar Daher muss zun chst die Analyse der Grundcodierung der Nachrichteninhalte erfolgen Da die betrachten Sensoren des Kapitels 3 Daten in der Regel nur als Zahlen oder Worte generieren m ssen insbesondere der ASCI Code und die beschriebenen bin ren Zahlen codierungen betrachtet werden 4 2 2 Nutzung von ASCII Kommuniziert ein Sensor auf Basis von ASCII so lassen sich Befehle h ufig leicht gene rieren und die Inhalte einer Nachrichtenantwort leicht entschl sseln da der Sensor die digitalen bin ren Daten unmittelbar in diesem standardisierten Format nutzt In den Be reich von hier betrachteten Sensoren die ihre Daten auf Basis des ASCI Formats ver wenden fallen vor allem die Tachymeter Seite 52 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN ASCI Messdaten haben folgende Vorteile a Generierung von Befehlen und Betrachtung von Nachrichteninhalte innerhalb von einfachen Texteditoren b gut erkennbare Nachrichtenpr fixe und Trennzeichen c Zeilenumbruch Carriage Return Line Feed CR LF als Abschluss von
290. wendigen unver bauten Sichten siehe Kapitel 4 3 3 2 2 trotz des erh hten Aufbaus der Zentralstation nur begrenzt vorhanden sind siehe Anlage 1 Um trotzdem ein gro es Testgebiet mit langen GPS Basislinien erstellen zu k nnen wird ein Repeater Rechner Abbildung 34 als ein zus tzlicher Sensorknoten genutzt Von hier aus wird ein zweiter Bestandteil des GeoSN als ein unabh ngiges WLAN SSID GEOSN UNIBW2 aufgebaut Auch der Repeater Rechner ist mit zus tzlicher Hardware ausgestattet um eine Nutzung im GeoSN zu gew hrleisten Wie der Rechner der Zentralstation ist er ber den integrier ten Netzwerkanschluss und eine feste IP Adresse in das Hochschulnetz der UniBw einge bunden Des Weiteren wurde die Anzahl seiner Schnittstellen mit einem USB RS232 Wandler und einer USB Dockingstation erweitert Die Dockingstation erm glicht ber einen RJ45 au erdem die Anbindung an die WLAN Infrastruktur des GEOSN UNIBW2 Anders als im GEOSN UNIBW1 wird in diesem WLAN kein Root Access Point sondern eine Root Bridge verwendet Dieses Instrument erm glicht die Einbindung von Repeater Bridges als WLAN Infrastrukturelemente in Sensorknoten Diese Knoten haben dann an ders als beim Einsatz von Repeater Access Points die lediglich den Abdeckungsbereich eines WLAN erweitern die F higkeit zur Einbindung weiterer drahtgebundener Clients Seite 115 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw WLAN GEOSN UNIBWI Repeater
291. werteparameter in GrafNav oder ggf einem anderen Programmsystem zur Berechnung von GPS Basislinien f r den Einsatz des GeoSN sind ebenfalls fortzuf hren Die Integration weiterer Sensoren in das GeoSN ist bereits problemlos m glich die Ver einigung verschiedenartiger und voneinander unabh ngiger Beobachtungen in der nach folgenden Auswertung bietet allerdings noch Entwicklungspotential bez glich der Syn chronisation und der Nutzung der unterschiedlichen Beobachtungstypen zur Steigerung von Genauigkeit und Zuverl ssigkeit des Gesamtsystems Konnte der Praxistest f r das System zwar nicht mehr im Zuge dieser Arbeit durchgef hrt werden so werden inzwischen zwei Systeme des GeoSN UniBw zur berwachung von Hangrutschungen durch die Universit t der Bundeswehr M nchen und die Technischen Universit t M nchen am Hornbergl in sterreich und am Sudelfeld in Deutschland be treut Das System am Hornbergl bietet dabei durch seine exponierte Lage und Basislinien l nge von ber 3 km insbesondere Entwicklungspotential bez glich Stromversorgung Nutzbarkeit des Systems im Winter in Gebirgsregionen und Nutzbarkeit unter sehr an spruchsvoller GPS Umgebung bez glich Abschattung und Mehrwegen Im System am Sudelfeld wird neben den GPS Empf ngern zus tzlich Datenerfassung f r Tachymeter und geotechnische Sensoren realisiert werden Die optimale Kombination der Beobach tungen der unterschiedlichen Ger te insbesondere bez glich der Verwendung d
292. y HiO NS pun d L any 060 usde1juy m MO USUOTPJUNFUSUI3NO USJOSUSS USLLISJUT fe my uauordossapo USERN A SSWOISTIOJOFIO SUngaIsmermtupo eJST JSAIN pun ssppw yseL my 6 TLOLNI SIqUMAL SSIEZ UZ t eya s PUNOT ISD W USEPSSSPIO ERUNUONO sdejgerspurmedg mJ INODO aqeZjospuw wd WMZ LISO u un amoqgJoJor M3 LISOIO JyazJeqss rq mM LIHO zingssogum Yoz spun yoru UJEN A SSWOISLIOIOPIO j y zeqss yq ayde Jurgo uage3 10AWSIS S yoe JurTo edatjaaln pun puy L my 82 IS swags soap goto swaus ausge q yewo s pooumgey 1 Ip0 XIJHd pW pzu paqo pundjsddogo BEUNUONO upom MI A140 ajyajo g m H 0 u uorpunzuayos yo u Josu g USLLSJUHT jje my uauorndossapqo USERS A S PASIOJOJO ZunNaTsterpupo puy ang 12 PIO2089 swags sosp E9ITaT USNOMSSII uoA usd re usa USUOTaZUUIaLL u ZusjumsfysJog Beispiele f r ASCII basierte Codierungen Tabelle 7 Seite 55 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN 4 2 3 Bin re Codierung Kommuniziert ein Sensor auf Basis bin rer Codierung so sind seine Messwerte und Be fehle auf Bit bzw Byte Ebene zu generieren und zu zerlegen Zwar kommen auch hier Normierungen wie die bin re Zahlendarstellung und die ASCII Codierung zum Einsatz aber die Betrachtung eines derartig erzeugten Befehl oder Antwortstrings ist f r den menschlichen Betrachter zun chst unverst ndlich Anders als bei der A
293. yme tern zumeist nur n herungsweise implementiert sind 50 55 ist es sinnvoll die Kor rektionen als Aufbereitung der Messungen gem Abbildung 5 auf dem Rechner der Zent ralstation des GeoSN durchzuf hren Somit werden auch diese 1 Knoten Netzwerk im weiteren Verlauf der GeoSN betrachtet da die Aspekte der Steuerung des Tachymeters und der Weitergabe der gemessenen Daten an die Zentralstation auf der die Auswerteprogramme der berwachungsmessung laufen noch gel st werden m ssen Hierbei werden einige Tachymeter wiederum besonders her vortreten die neben den grunds tzlich vorhandenen drahtgebundenen Schnittstellen be reits zus tzlich eingebaute drahtlose Kommunikationsmittel besitzen wie das Datenfunk ger t des S10 von Zeiss 55 die WLAN Option des Trimble S6 49 oder die Bluetooth F higkeit der TPS1200 Ger te von Leica Geosystems 56 3 1 3 Digitalnivelliere Viele der unter 3 1 1 angesprochenen Punkte gelten in hnlicher Form f r die Digitalnivel liere Allerdings sind bei Nivellieren einige spezielle Besonderheiten zu beachten die ih rer Behandlung wie ein Tachymeter widersprechen Seite 31 GeoSN UniBw Kapitel 3 Sensorkomponente eines GeoSN Erstens besitzen Nivelliere normalerweise eine sehr viel geringere Beobachtungsreichwei te etwa bis zu maximal 40 Metern und sind auf horizontale Visuren beschr nkt Au erdem besitzen sie in der Regel keine eigene Motorisierung Somit kann ein Digitalnivellier
294. ysiert wer den sollen Ziel bei einer geod tischen berwachungsmessung ist die Feststellung von geometrischen Ver nderungen in Form von Verformungen und oder Starrk rperbewegungen eines Ob jektes Definitionen zu Verformungen und Starrk rperbewegungen sind in 16 zusam mengestellt Das Interesse f r die berwachung von Objekten hat zwei wesentliche Ursachen Zum einen muss h ufig die Pr fung der Gebrauchsf higkeit eines Objektes nach oder w hrend einer Belastung untersucht werden um Aussagen ber Belastbarkeiten treffen zu k nnen Diese Art der Untersuchung wird vor allem f r k nstliche Objekte angewendet etwa um Regeln f r die Herstellung und den anschlie enden Gebrauch abzuleiten Zum anderen muss die Vermeidung von Gefahrenpotential durch ein m gliches Material versagen w hrend der Alterung des Objekts sichergestellt werden Es ist zwingend erfor derlich kritische Objektzust nde festzustellen bevor es zu einer Zerst rung und damit m glicherweise zur Gef hrdung von Menschen und Verlust von Werten kommt Bei der Untersuchung von Verformungen wird dazu zwischen zwei Arten unterschieden der reversiblen und der irreversiblen Als physikalischer Grundsatz der Kontinuumsme chanik gilt dass wenn sich der innere Aufbau eines Objekts im Laufe einer Verformung nicht ndert er immer wieder die gleiche Ursprungsform annimmt falls die u eren Be dingungen wieder ihren urspr nglichen Zustand erreichen Eine Verformung
295. z machten seine Nutzung als Kalibiereinrichtung m glich Der Testaufbau sah vor dass der Motor ein vorgegebnes Fahrtprogramm mit Wechsel der Fahrtrichtung und Geschwindigkeiten bei dem Erreichen gewisser Schrittpositionen aus f hrt Innerhalb des Messprogramms AXYZ des Lasertrackers 117 war eine kinemati sche Positionsbestimmung des auf dem Schlitten montierten Cubes vorgeben die automa tisch eine Koordinatenmessung durchf hren sollte wenn der getrackte Punkt einen Fahrt weg von 0 1 mm zur ckgelegt hatte Eine nachfolgende Transformation der lokalen Tra Seite 124 GeoSN UniBw Kapitel 7 Praktische Tests mit dem System GeoSN UniBw cker Koordinaten in die Fahrtachse des Verfahrers machte es m glich die verfahrenen Schritte der X Koordinate des Cubes gegen berzustellen Aus der Gegen berstellung von vorgegebenen Motorschritten und dem mit Hilfe der Tra cker Messungen bestimmten Fahrtweg des Schlittens konnte ein Verh ltnis von Motor schritten zu Strecke von ca 1415 Schritt mm ermittelt worden Werden Schlupf und Posi tioniergenauigkeit des Motors ber cksichtigt so ist eine Positioniergenauigkeit des Mess schlittens von 0 1 mm garantiert 7 2 4 2 Ergebnisse Die Aufdeckung von Objektbewegungen mit Hilfe des GeoSN UniBw wurde in folgender Konstellation untersucht a Aufbau von 3 GPS SMART ANTENNA Ss in einer Linie auf einem Holzbrett siehe Abbildung 36 b Montage der Verfahreinheit unter den mittleren Sensor Abb
296. zielen eines Zielpunktes oder Bewegungen des Instruments w hren der Messung hin Derartige Fehlermeldungen erfordern ggf unmittelbare Reaktion wie etwa eine Wie derholungsmessung und ben tigen entsprechende Reaktionspl ne und Look Up Tables Allerdings ist die anschlie end folgende Aufbereitung empfangener Messwerte in der Re gel weniger umfangreich Die derzeitige Programmversion des GeoSN verl uft in den nachfolgend beschriebenen Schritten 1 Vorbereitung bergabe von Globalen Variablen in einem LabVIEW Cluster a Empf ngername keine alphanumerischen Zeichen nur Zahlen b Aufgabe gt Referenz gt Rover c Empf ngertyp gt NovAtel ALLSTAR SUPERSTAR gt NovAtel OEM3 gt Genutzter Empf nger Anschluss ggf f r die Loggingbefehle notwendig gt Aufzeichnungsrate f r Rohdaten 48 Ein Cluster entspricht im Aufbau einer Matrix Array mit verschiednen Werten in Zeilen bzw Spalten W hrend eine Matrix allerdings nur Werte eines Datentyps Integer Double String Boolean usw zul sst bietet ein Cluster die M glichkeit verschiedene Datentypen in einer Matrixstruktur zu kombinieren Seite 142 GeoSN UniBw Anlage 5 d Anschlussart an den Auswerterechner gt lokal seriell auch bei Datenfunk anzuwenden gt netzwerkbasiert mit COM Server e Informationen zum Anschluss gt Seriell o Schnittstellennummer des genutzten Anschlusses am Rechner o Schnittstellenparameter Baudrate Datenbit Pari
297. zu Diese hohen bertragungsraten erm glichen Kanalmultiplexing und damit parallele bertragungen mehrerer Teilnehmer sowie Duplex Daten bertragung auf den einzelnen bertragungs strecken Da solch hochfrequente elektromagnetische Wellen beim Durchqueren fester Hindernisse durch Absorption und Reflexion wesentlich st rker abgeschw cht werden als durch die reine Freiraumd mpfung Web 18 muss die so genannte Fresnelsche D mpfungszone Web 19 die sich in Ellipsenform um die direkte Sichtverbindung herum aufspannt frei von Hindernissen sein um optimale Reichweiten zu erreichen Line of Sight WLAN WLAN Sender Empf nger Fresnelellipsoid er Pr gr ter Radius der ersten Fresnelzone Abbildung 22 Fresnelellipsoid zwischen zwei WLAN DCE Seite 75 GeoSN UniBw Kapitel 4 Kommunikationskomponente eines GeoSN Die Gr e rry an einer beliebigen Position i im Fresnelellipsoid ergibt sich nach Web 19 zu Feu 1731 N d d F d 4 4 Ty Radius der ersten Fresnelzone m N Anteil der Fresnelzone 1 f r gesamte Zone d L nge der zu berbr ckenden Strecke m d Abstand zu Antenne 1 d Abstand zu Antenne 2 F Frequenz einer elektomagnetischen Welle MHz Der maximale Radius der ersten Fresnelzone rry bei d d2 0 5 d betr gt f r die mittle re WLAN Frequenz F von 2 4 GHz Wellenl nge A ca 12 5 cm zur berbr ckung einer Strecke d von 1 km L nge ca 5 6 m Generell gilt dass f r opt
298. zuzugreifen siehe Kapitel 5 4 1 Zum anderen wird so die drahtgebundene Netzwerkverbindung zum Repeater Rechner hergestellt von wo aus der dislozierte zweite Systemanteil des berwachungs systems angebunden wird siehe Kapitel 5 4 4 Neben dieser Verbindung in das Hochschulnetz ist der Rechner ber die zus tzliche Netzwerkkarte mit einem WLAN Root Access Point verbunden SSID GEOSN UNIBW 1 und mit einer lokalen IP Adresse dieses Netzes gem Kapitel 5 3 5 versehen Auf der Zentralstation ist das Hauptsteuerprogramm des Systems implementiert siehe Kapitel 6 Es ist au erdem das Prozessierungs Programm GrafNav installiert das f r die Basislinienauswertung der GPS Empf nger notwendig ist Die prozessierten Basislinien ergebnisse werden in das GOCA Format umgeformt und in den Tages GKA Dateien ge speichert Die GKA Dateien werden dabei in einen im Windows Betriebssystem freigege benen Ordner abgelegt auf den der GOCA Auswerterechner Zugriff erh lt der unabh n gig von der Zentralstation operiert Parallel zur LabVIEW und GrafNav Software ist auf dem Zentralstationsrechner das Pro gramm TridiaVNC Server aktiv das es anderen Netzwerkrechnern erm glicht einen Re mote Desktop zu der Zentralstation aufzubauen und damit eine Fernwartung gem Kapi tel 5 4 2 durchzuf hren Das Campusgel nde der UniBw M nchen ist mit einer dichten Geb udestruktur versehen so dass die f r die Nutzung einer Datenkommunikation mit WLAN not

Entwicklung und Erprobung eines multifunktionalen Geo

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