FHE ASPIRED

Kurzbeschreibung

Sensoren sind die Sinnesorgane digitaler Geräte: Sie erfassen beispielsweise Geräuschpegel, Bewegung, Licht oder das Raumklima. Doch von einer Anwendungsidee bis zu einem zuverlässigen und stromsparenden Gerät ist es meist ein weiter Weg. Elektronik, Sensoranbindung, Datenverarbeitung und Software müssen häufig für jedes Vorhaben neu entwickelt und aufeinander abgestimmt werden.

Im Projekt FHE ASPIRED entsteht deshalb eine wiederverwendbare Entwicklungsplattform für Audio- und Sensoranwendungen. Im Mittelpunkt steht eine modular aufgebaute Firmware mit wiederverwendbaren Bausteinen für die Anbindung unterschiedlicher Sensoren, die Datenerfassung und die Verarbeitung direkt im Gerät. Für verschiedene Anwendungsfälle wird diese Firmware mit jeweils darauf abgestimmter Elektronik kombiniert.

Konkret entstehen im Projekt zwei Prototypen: eine multisensorische Wandbox für Innenräume sowie ein Lehr- und Entwicklungsboard. Die Wandbox soll unterschiedliche Eigenschaften ihrer Umgebung über längere Zeiträume erfassen und dabei besonders energiesparend arbeiten. Das Lehr- und Entwicklungsboard soll die entwickelten Funktionen für Forschung, Lehre und studentische Projekte leicht zugänglich machen.

Bei der Wandbox werden die Messdaten möglichst unmittelbar im Gerät ausgewertet. Statt fortlaufender Rohdaten oder Tonaufnahmen werden nur daraus abgeleitete Messgrößen und nichtpersonenbezogene Metadaten gespeichert. Dadurch lassen sich Speicherbedarf, Datenübertragung und Energieverbrauch reduzieren. Zugleich werden keine Daten dauerhaft abgelegt, die Rückschlüsse auf einzelne Personen ermöglichen. Dieser datensparsame Ansatz erhöht die Datensicherheit und unterstützt einen datenschutzkonformen Einsatz auch in sensiblen Innenräumen.

Mit den im Projekt erarbeiteten Ergebnissen sollen neue Forschungsideen schneller in funktionsfähige Geräte überführt, Kooperationen mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen erleichtert und Studierenden ein praxisnaher Zugang zu moderner, energieeffizienter Audio- und Sensortechnik ermöglicht werden.
 

Ziele und Vorgaben

Ziel ist der Aufbau einer wiederverwendbaren, besonders energiesparenden Entwicklungsplattform für Audio- und Sensoranwendungen. Im Mittelpunkt steht eine modular aufgebaute Firmware, die mit anwendungsspezifischer Elektronik kombiniert werden kann. Die Plattform soll Forschungsideen schneller in funktionsfähige Prototypen überführen und zugleich dauerhaft in der Lehre eingesetzt werden.

Schritte zur Zielerreichung

Plattform und Architektur: Anforderungen, Schnittstellen und Systemarchitektur festlegen sowie die Entwicklungs- und Messumgebung aufbauen.

Modulare Firmware: Wiederverwendbare Bausteine für Sensoranbindung, Datenerfassung, lokale Verarbeitung, Speicherung, Kommunikation, Tests und Energieanalyse entwickeln.

Sensorintegration: Audio-, Umwelt-, Licht- und Bewegungssensoren auswählen, anbinden und in einer dokumentierten Sensorbibliothek zusammenführen.

Prototypen: Eine multisensorische Wandbox für Innenräume und ein Lehr- und Entwicklungsboard aufbauen und hinsichtlich Funktion sowie Energiebedarf erproben.

Lehre und Transfer: Dokumentation, Tutorials und Codebeispiele erstellen, die Plattform in Lehrveranstaltungen und studentischen Arbeiten einsetzen sowie Kooperationen und Folgeprojekte vorbereiten.

Aussichten nach der Fertigstellung

Nach Projektabschluss soll eine dokumentierte, wiederverwendbare Entwicklungsplattform mit erprobten Firmwarebausteinen, Sensoranbindungen und zwei Referenzprototypen zur Verfügung stehen. Forschungsteams, Unternehmen und Studierende können darauf neue Anwendungen aufbauen, ohne die technische Basis jeweils vollständig neu entwickeln zu müssen. Dadurch sollen Entwicklungsaufwand, Kosten und technische Risiken sinken. Die Ergebnisse bilden zugleich die Grundlage für weitere Forschungs-, Transfer- und Lehrvorhaben.

Innovationsansatz

Der Innovationsansatz liegt in der Verbindung einer modularen Firmwarearchitektur mit einer konsequent energieeffizienten Verarbeitung direkt im Gerät. Wiederverwendbare Bausteine für Sensoranbindung, Datenerfassung, Signalverarbeitung, Speicherung und Kommunikation werden mit jeweils anwendungsspezifischer Elektronik kombiniert. So entsteht keine starre Einzellösung, sondern eine technische Grundlage, die sich auf unterschiedliche Audio- und Sensoranwendungen übertragen lässt.

Bei der Wandbox dient die lokale Verarbeitung zusätzlich einem datensparsamen Systemkonzept: Statt fortlaufender Rohdaten oder Tonaufnahmen werden nur abgeleitete Messgrößen und nichtpersonenbezogene Metadaten gespeichert. Dies reduziert Speicherbedarf, Datenübertragung und Energieverbrauch, erhöht die Datensicherheit und unterstützt einen datenschutzkonformen Einsatz in sensiblen Innenräumen.

Aufgabenfelder

• Konzeption einer modularen Firmwarearchitektur und Entwicklung energieeffizienter Embedded-Software

• Integration und Treiberentwicklung für u. a. Audio-, Umwelt-, Licht- und Bewegungssensoren

• Lokale Signalverarbeitung und Ableitung aussagekräftiger Messgrößen

• Aufbau, Inbetriebnahme und Evaluation der multisensorischen Wandbox sowie des Lehr- und Entwicklungsboards

• Datensicherheit und datensparsame Datenhaltung, insbesondere bei der Wandbox

• Dokumentation, Einsatz in der Lehre und Transfer in studentische, wissenschaftliche und industrielle Projekte

Wissenschaftlicher Beitrag

Das Projekt untersucht, wie sich eine wiederverwendbare Firmwarearchitektur für unterschiedliche Audio- und Sensoranwendungen gestalten lässt, ohne Energieeffizienz, Echtzeitfähigkeit und Erweiterbarkeit gegeneinander auszuspielen. An den beiden Prototypen werden Verfahren zur sensornahen Signalverarbeitung, zur Bewertung des Energiebedarfs und zur robusten Integration unterschiedlicher Sensoren erprobt. Für die Wandbox wird zusätzlich untersucht, wie über längere Zeiträume aussagekräftige Messgrößen gewonnen werden können, ohne personenbezogene Rohdaten zu speichern. Die dabei gewonnenen multisensorischen Messgrößen könnten in Verbindung mit weiteren Erhebungen auch für weiterführende, etwa psychosoziale Studien genutzt werden und Hinweise darauf geben, wie Innenräume im Hinblick auf Gesundheit und Wohlbefinden verbessert werden könnten.

Weiteres

Das Vorhaben wird im Programm „CZS Forschungsstart“ der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. Die Projektergebnisse sollen in Lehrveranstaltungen der Masterstudiengänge Angewandte Informatik und Software Engineering, in studentische Projekte und Abschlussarbeiten einfließen. Die Entwicklungsplattform ist darüber hinaus als Ausgangspunkt für Kooperationen mit Forschungseinrichtungen und Unternehmen sowie für weiterführende Drittmittelprojekte vorgesehen.