Plattformübergreifende Spiele-App-Entwicklung unter Einbeziehung von KI
(Prof. Dr. Dominik Schultes, WS 23/24 u. SomSem 24)
Nachhaltigkeit und Klimaanpassung in der Gebäudeautomation
(Prof. Dr. Michael Arndt, SomSem 23)
Hierbei wurden die beiden folgenden Themengebiete bearbeitet:
- Bewertungssysteme für die Nachhaltigkeit von Gebäudeautomationsfunktionen
- Indoor Farming: ein autonomes Mini-Gewächshaus als Versuchsträger und Basis für forschendes Lernen
Vor dem Hintergrund, dass der Gebäudesektor in Deutschland für ca. 30% der CO2 Produktion verantwortlich ist, ist die Fragestellung, ob Funktionen der Gebäudeautomation immer als nachhaltig bezeichnet werden können, eine überaus interessante Fragestellung.
Unter Funktionen wird hierbei zum Beispiel die Steuerung einer Jalousie in einem Bürogebäude in Abhängigkeit des Sonnenstandes verstanden oder das Anschalten der WC-Beleuchtung abhängig von der Anwesenheit von Personen. Die grundsätzliche Frage ist, ob eine solche Funktion insgesamt gesehen eher klimafreundlich oder klimaschädlich ist. Neu ist hierbei, das einzelne Funktionen und nicht das gesamte Gebäudeautomationssystem bewertet werden. Somit kann in Zukunft unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten entschieden werden, ob einzelne Funktionen in einem Gebäude realisiert werden sollten oder nicht.
Das Indoor Farming, also des Herstellens von pflanzlichen Lebensmitteln in der Nähe der eigenen Wohnung, ist für große Städte relevant, wo die Transportwege für Lebensmittel in den Innenstadtbereich lang sind und Verbraucher frische Lebensmittel zuverlässig und nachhaltig selbst erzeugen möchten.
Hierfür wurde die Entwicklung eines autonomen Mini-Gewächshauses gestartet, welches grundsätzlich mit Solarenergie betrieben und möglichst wenige Ressourcen verbrauchen soll. Außerdem soll das Mini-Gewächshaus einen hohen Autonomiegrad erreichen, um zuverlässig hochwertige pflanzliche Erzeugnisse zu produzieren.
In einer ersten Stufe wurden verschiedene Bewässerungssysteme und Beleuchtungen untersucht und realisiert. Außerdem wurde das Mini-Gewächshaus mit Sensoren ausgestattet und ein digitaler Zwilling für die Fernüberwachung des Gewächshauses realisiert. Im nächsten Schritt soll eine CO2-Dosieranlage integriert werden und deren Effekt auf die Pflanzen untersucht werden.
Plattform-übergreifende App-Entwicklung
(Prof. Dr. Dominik Schultes, WiSe 19/20 und SomSem 20)
Apps für Android und iOS zu entwickeln verursacht entweder im ungünstigsten Fall nahezu den doppelten Aufwand, wenn man sich für die sogenannte native Entwicklung entscheidet unter Verwendung der jeweiligen plattformspezifischen Werkzeuge, oder erfordert typischerweise das Eingehen von Kompromissen, wenn man sich für ein plattform-übergreifendes Framework für die App-Entwicklung entscheidet.
Um auf der einen Seite bestmögliche Ergebnisse anzustreben, um also Kompromisse zu vermeiden, und um auf der anderen Seite Aufwand zu reduzieren, ist die Idee, die Prof. Schultes in seinem Forschungssemester verfolgt hat, größere Teile der App, die für eine Plattform entwickelt wurde, automatisch für die andere Plattform zu übersetzen. Hierbei bietet sich insbesondere der sogenannte Model-Teil der App an, der sowohl die Datenhaltung als auch die Geschäftslogik umfasst, da gerade die Geschäftslogik oft umfangreich ist, aber wenig plattformspezifische Details enthält. Von Vorteil ist hierbei, dass die momentan favorisierten Programmiersprachen, nämlich Kotlin für die Android-Entwicklung und Swift für die iOS-Entwicklung, größere Ähnlichkeiten zueinander aufweisen als die jeweiligen Vorgängerprogrammiersprachen.
Zentrales Ergebnis des Forschungssemesters ist die Entwicklung von "SequalsK", des Prototyps eines bidirektionalen Swift-Kotlin-Transpilers, also eines Werkzeuges, das in der Lage ist aus Kotlin-Quellcode automatisch syntaktisch und semantisch korrekten Swift-Code zu erzeugen und umgekehrt. Die Abbildung gibt einen Überblick über die Gesamtarchitektur des entwickelten Tools.
Die Webseite https://transpile.iem.thm.de/ enthält weiterführende Informationen und insbesondere die Möglichkeit, den Transpiler interaktiv auszuprobieren.
AI Accelerators
(Prof. Dr.-Ing. Hartmut Weber, SomSem 2019)
Hardware zur lokalen Beschleunigung typischer Anwendungen der künstlichen Intelligenz (Artificial Intelligence), beispielsweise lernfähige neuronale Netzwerke zur Analyse und Interpretation von Bildern oder anderen mehrdimensionalen Sensordatenmengen, wird als AI Accelerator bezeichnet. Solche AI Accelerators nutzen sehr viele Rechenkerne gleichzeitig, um die Verarbeitungszeit der großen Datenmengen zu reduzieren. Der Einsatz von GPUs zur Beschleunigung ist seit Jahren bekannt. Mit dem Blick auf die Energieeffizienz der Beschleunigung sind in den letzten Jahren im Hardwarebereich auch zunehmend FPGAs und im Gebiet der Implementierungskonzepte Datenfluss-Architekturen sowie gepulste neuronale Netze (Spiking Neural Networks) in den Fokus gerückt.
Im Forschungssemester konnte Prof. Weber sich ausgehend von Standard-Implementierungen tiefergehend mit diesen Ansätzen beschäftigen und so Kontakte zur Anwendung moderner Beschleuniger in medizinischen Fachgebieten knüpfen.
Bildquelle: Sze, Chen, Yang, Emer: Efficient Processing of Deep Neural Net-works: A Tutorial and Survey. Proceedings of the IEEE, 2017
Integrierte rekursive ADCs
(Prof. Dr. Karsten Leitis, SomSem 2019)
Ziele des Forschungsprojektes:
- Entwurf eines integrierten rekursiven ADCs (ASIC)
-
- Methodische Entwicklung mit Verhaltensmodellen mit Verilog-A
- Anforderungsdefinition für elektronische Bauelement
- Bauelemente-Entwurf (low voltage / low power)
- System-Evaluation
Eine Vielzahl von Verfahren zur Wandlung von analogen in digitale Signalen erreichen sehr hohe Auflösungen wie z.B. Dual Slope oder Delta-Sigma. Die Anzahl der Bauelemente ist gering. Jedoch auch die Wandlungsgeschwindigkeit. Andere Verfahren wie sukzessive Approximation SAR, Flash, Subrange oder Pipeline erreichen wesentlich höhere Wandlungsgeschwindigkeiten bei geringeren Auflösungen. Allerdings benötigen diese Verfahren eine hohe Anzahl von elektronischen Komponenten.
Das neuartige Wandlungskonzept basierend auf einer rekursiven Methodik - welches zum Patent angemeldet ist - zielt ab auf eine geringe Bauelementanzahl. Dadurch werden geringe Chipflächen und geringe Verlustleistungen ermöglicht. Auf Baulelementebene lässt sich die Anzahl der Komponenten mit einen Dual-Slope- oder Delta-Sigma-Verfahren vergleichen. Jeoch werden höhere Wandlungsgeschwindigkeiten erreicht.
Beispielhaft wurde das Verfahren in obenstehender Abbildung dargestellt mit einer nativen Auflösung des ADC und des DAC von 1 bit realisiert. Bedingt durch eine mehrfache Rekursion (die Anzahl ist frei definierbar) wird die Auflösung mit jeder Iteration um 1 bit erhöht.
In der Abbildung wurde mit 10 Rekursionen aus einer nativen Auflösung von 1 bit eine Auflösung von 10 bit generiert.
Als Wandlungsgeschwindigkeit wurde in diesem ersten Entwurf bereits 1Ms erreicht. Sowohl die Wandlungsgeschwindigkeit als auch die Auflösung sollen im Rahmen weiterer Entwicklungsschritte noch verbessert werden.
Selbst- und remotegesteuerte audio-visuelle Live- und Studioproduktionen mit dem Schwerpunkt bildungstechnische Formate
(Prof. Dr. phil. Vogt, SomSem 2019)
Im Mittelpunkt des Forschungssemesters stand die Frage, wie IP-basierte Systeme zur remotegesteuerten audio-visuellen Live- und Studioproduktion für bildungstechnologische Formate realisiert werden können. Das Lehrgebiet Mediendidaktik (PD Dr. phil. Markus Deimann) ermöglichte zu diesem Thema einen Forschungsaufenthalt an der FernUniversität in Hagen im Sommersemester 2019. Experimente in Zusammenarbeit mit der Abteilung Digitale Medienproduktion und ‐service (Alexander Reinshagen) zeigten, dass NDI für die Übertragung von Video- sowie Dante für die Übertragung von Audiosignalen via IP erfolgversprechende Lösungsansätze sind. Eine vorhandene HD-Videoregie sowie ein abgesetzter Produktionsort an der FernUniversität in Hagen wurden nachhaltig mit beiden Technologien zu einer Produktionseinheit verbunden. Die gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen fließen in die audio-visuelle Medienproduktion und damit verbundenen Infrastrukturen im Kontext des hessenweiten Projektes „digLL“ an der TH Mittelhessen ein.
Electromagnetic flow sensors for food and tobacco sensing
(Prof. Dr.-Ing. Penirschke, WS 2018 und SomSem 2019)
Im Mittelpunkt der beiden halben Forschungssemester stand die Erforschung neuartiger Sensorstrukturen zur Bestimmung der Prozessfeuchte sowie des Feuchtigkeitsgehaltes für industrielle Anwendungen in der pneumatischen Förderung.
Mikrowellenbasierte Feuchtesensoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Aquametrie. Hohe dielektrische Eigenschaften von Wasser und Wasserverbindungen im Mikrowellenbereich erlauben eine sehr hohe prinzipbedingte Sensitivität solcher Sensoren. Die Arbeitsfrequenz im Mikrowellenbereich begünstigt zusätzlich die drahtlose Kommunikation zwischen Sensor und Datenerfassung. Sie erlaubt den Aufbau sehr kostengünstiger, vollständig passiver Sensoren (d. h. Sensoren, die ohne zusätzliche Energiequellen arbeiten). Die Entwicklung neuartiger Sensorstrukturen auf Basis linkshändiger Leitungsstrukturen ermöglicht zudem bei gleichbleibender Frequenz im Vergleich zu konventionellen Techniken die Miniaturisierung der Sensoren bei gleichzeitiger Verbesserung der Sensitivität.
Innerhalb des Forschungsvorhabens konnten diese Vorteile kombiniert und damit neuartige, passive, kompakte mikrowellenbasierte Feuchtesensoren entwickelt werden, die zukünftig auch mit Hilfe von Funknetzen ausgelesen werden können.
Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnissen konnte in 2020 ein neues ZIM-Projekt DFMP: Entwicklung eines Sensorsystems zur simultanen und echtzeitfähigen Durchfluss- und Feuchtemessung sowie einer entsprechenden Heizungsregelung mit einer Effizienzsteigerung um 15 % beantragt werden, welches ab dem 01.04.2021 startet. Projektpartner sind ÖkoFen sowie proMte.
Smart Grid Communications
(Prof. Dr.-Ing. Habermann, SomSem 2017)
Hochzuverlässige und kosteneffektive Kommunikation zwischen den Elementen eines elektrischen Distributionsnetzes (PLC = Powern Line Communication).
Kommunikationstechnik für
- Messgeräte und Sensoren zur Überwachung und Kontrolle von Strom- und Spannungswerten,
- Aktuatoren wie Einspeise- oder Abgangsschalter, z.B. bei Grenzwertüberschreitungen, Steuerungs- und Schaltungskomponente,
- Grid Monitoring & Automation.
Bei der Datenübertragung zwischen den PLC-Komponenten entstehen vielseitige impulsförmige Störungen, die die Qualität der Übertragung stark mindern und damit das gesamte Kommunikationskonzept in Frage stellen. Der Interferenzsignalunterdrückung durch intelligente Algorithmen im Empfänger kommt deshalb eine große Bedeutung zu.
Optimierung des Schaltzustandes elektrischer Netze mit erneuerbaren Energien
(Prof. Dr.-Ing. Dib, WS 2016/17)
Der ständig steigende Zubau an Erzeugungsanlagen mit erneuerbarer Energie stellt die elektrischen Übertragungs- und Verteilnetze unter neuen Herausforderungen. Hinzu kommt die hohe Gleichzeitigkeit der Erzeugung bei Windkraftanlagen bzw. bei Photovoltaikanlagen. Netzengpässe und Abregelung von Erzeugungsanlagen können die Folgen dieser Entwicklung sein. Netzerweiterungen sind erst nach Ausschöpfung anderer Abhilfemaßnahmen zu ergreifen. Zudem können sie durch langwierige Genehmigungsverfahren verzögert werden.
Die Untersuchungen, die im Rahmen der Betreuung einer laufenden Doktorarbeit entstanden sind, befassten sich mit der Möglichkeit, die Übertragungsfähigkeit von 110-kV-Verteilnetzen durch optimale Schaltmaßnahmen zu erhöhen. Dazu wurde ein geeignetes Optimierungsverfahren entwickelt.
Das folgende Bild zeigt ein 110-kV-Modellnetz, welches die typischen Merkmale der in Deutschland vorkommenden Netze zeigt (Netzform, Anschluss von Umspannwerken, Sammelschienenanordnung).
Ausgehend von dem ursprünglichen Netzzustand werden verschiedene Einspeise- und Lastsituationen für die verschiedenen Jahreszeiten (Frühling, Sommer, Herbst, Winter) angenommen und optimale Schaltzustände gesucht, die mehr Übertagungskapazität bzw. weniger Abregelung von Erzeugungsanlagen mit erneuerbarer Energie erlauben.
Die Simulationen für das hier betrachtete Modellnetz zeigen, dass man aufgrund der starken Windverhältnisse im Winter (in Deutschland) zwei Schaltzustände festlegen kann: der ursprüngliche Schaltzustand ist im Winter suboptimal und kann durch einen optimalen Zustand ersetzt werden, den das Programm vorschlägt. In den anderen Jahreszeiten ist der ursprüngliche Schaltzustand angemessen. Das Verbesserungspotential ist stark von der betrachteten Netzstruktur, den Einspeisungen und Lasten abhängig und ist von Fall zu Fall neu zu ermitteln.
IP-basierte Gebäudeautomation
(Prof. Dr.-Ing. Gräfe, 2016)
Derzeit kommt in der Gebäudeautomation/Gebäudesystemtechnik eine Vielzahl von Bussystemen wie KNX, LON und LCN zum Einsatz, die proprietäre Protokolle verwenden und somit untereinander inkompatibel sind, und deren Eigenschaften auf den technischen Möglichkeiten von 1980 bis 1990 basieren, beispielsweise Datenraten von 0,01 MBit/s.
Ziel des Forschungsprojekts war es, ein IP-basiertes Kommunikationssystem zu finden, das ebenso wie KNX oder LON mit einer zweiadrigen Busleitung und einer einfachen Anschlusstechnik auskommt und trotzdem die Verwendung des standardisierten Ethernet/IP-Protokolls und Datenraten im MBit-Bereich ermöglicht. Es wurden verschiedene Kandidaten untersucht und Teststrecken aufgebaut. Als Favorit hat sich dabei SHDSL (Symmetric High Speed Digital Subscriber Line) herauskristallisiert, das Datenraten bis zu 15 MBit/s und Reichweiten im Kilometerbereich ermöglicht. Es kommt dabei mit einem zweiadrigen Kabel aus, dessen Adern beim Anschluss sogar vertauscht werden dürfen.
Im Rahmen des Forschungsprojekt wurde weiterhin die Robustheit des Systems gegenüber Störeinwirkungen untersucht, sowie ein Simulationsmodell entwickelt, das die Untersuchung einer Energieübertragung über das gleiche Adernpaar ermöglicht mit dem Ziel, die Busteilnehmer auch über die Busleitung mit Spannung zu versorgen.
Bildquellen:
[1] Lantiq SDFE Product Brief, https://www.codico.com/fxdata/codico/prod/media/Lantiq_SOCRATES-Bis_Product-Brief.pdf
[2] Stefan Hirscher et al.: “High Data Rates over Long Copper Loops – SHDSL Goes the Extra Mile(s)”, https://www.we-online.com/web/en/index.php/show/media/06_passive_components_-_custom_magnetics/pdf_doc_files_1/shdsl_kit_page_documents/SHDSL_White_Paper_by_Lantiq_and_Teleconnect_-_May_2014.pdf
Entwicklung einer Halbbrücke
(Prof. Dr.-Ing. Peppel, WS 2015/16)
Unterstützung einer studentische Arbeitsgruppe an der TU-Darmstadt:
In diesem Projekt wurde eine sogenannten Halbbrücke mit einem Schaltvermögen von 1200V und 50A entwickelt. Aus Halbbrücken sind fast alle leistungselektronischen Geräte wie z. B. Wechselrichter zur Drehzahlregelung von Motoren aufgebaut.
Es wurden alle Schritte einer klassischen Produktentwicklung durchgeführt. Ausgehend von einer Spezifikation wurde der Schaltplan erarbeitet, die Bauteile ausgesucht, die Leiterplatte entworfen und anschließend die Halbbrücke komplett aufgebaut. Den Abschluss bildete ein ausführlicher Funktionstest. Durch dieses Projekt haben die Studierenden viele praktische Erfahrungen gesammelt, die so in Vorlesungen nicht erlernt werden können.
