SMARTER APPLICATIONS BY SENSOR SYSTEMS AND AI
Fraunhofer GesellschaftHansastr. 27D-80686 Münchenwww.fraunhofer.de
Fraunhofer IISAm Wolfsmantel 33 D-91058 Erlangenwww.iis.fraunhofer.de
Fraunhofer IMSFinkenstraße 6147057 Duisburgwww.ims.fraunhofer.de
Fraunhofer IIS Institutsteil Adaptive Elektronik EASZeunerstr. 38D-01069 Dresdenwww.eas.iis.fraunhofer.de
Fraunhofer IZMGustav-Meyer-Allee 25Gebäude 17/3D-13355 Berlinwww.izm.fraunhofer.de
Publication InformationFraunhofer Institute forIntegrated Circuits IIS
Am Wolfsmantel 3391058 Erlangen, Germany
Concept Angela Raguse Fraunhofer IIS
© Fraunhofer-Gesellschaft
WARTUNGSFREIES MIOTY®-LPWAN DURCH ENERGY HARVESTING
Skalierbare IoT-Sensoranwendungen be-
nötigen für eine zuverlässige und robuste
Übertragung der Daten permanent Ener-
gie. Das Fraunhofer IIS hat einen speziellen
Übertragungsstandard und die dazugehö-
rige Energieversorgung entwickelt.
Telegram-Splitting für robuste
Datenübertragung
Die drahtlose Übertragungstechnologie
MIOTY® für sogenannte massive IoT-An-
wendungen im industriellen Internet der
Dinge (IIoT) oder im Smart City-Bereich
überträgt zuverlässig und robust Daten
von einigen hunderttausend Sensoren
auch über große Distanzen. Dies ist dank
unseres patentierten Telegram-Splitting-
Verfahrens möglich. MIOTY® ist eine hard-
wareunabhängige Softwarelösung, die
ETSI-standardisiert, insbesondere für
LPWANs (Low Power Wide Area Networks),
verwendet wird. Für MIOTY® ist eine
Lizenz zur kommerziellen Integration in
verschiedene Kundenlösungen verfügbar.
Energy Harvesting
Zusätzlich ist eine autarke Stromversor-
gung der Sensoren durch Energy Harves-
ting-Technologien möglich. Wir haben
dazu Lösungen entwickelt, die minimale
Vibrationen oder Temperaturunterschiede
zur Stromerzeugung nutzen. Dies wird
durch hocheffiziente Spannungsregler
und Energiemanagement-Systeme mög-
lich, die schon kleinste Ströme und Span-
nungen nutzbar machen. Ein besonderes
Plus, wenn es darum geht, hunderttau-
sende Sensoren über Jahre wartungsfrei
und energieeffizient zu betreiben.
www.mioty.de
www.iis.fraunhofer.de/energyharvesting
Fraunhofer IIS
Ferdinand Kemeth
Dr. Peter Spies
IOT-BASED PROCESS MANAGEMENT
Unter dem Thema »IoT-based Process
Management« bearbeitet das Fraunhofer IIS
Projekte zur Nutzung von IoT-Daten (Inter-
net of Things) zur Analyse und Steuerung
räumlich verteilter Prozesse in der Produk-
tion und Logistik. Dabei ermöglichen Ver-
fahren der Prozesserfassung auf Basis von
IoT-Systemen eine umfassende Sicht auf
Abläufe physischer Prozesse und geben die
Datengrundlage für Methoden des Process
Minings zur Prozessanalyse, Prozesssteue-
rung sowie Prozessoptimierung.
IoT-Devices als Datenquelle für
Process Mining
Die automatisierte Echtzeit-Datenerfassung
während der Prozessausführung erfolgt
durch IoT-Technologien, wodurch große
Mengen an Sensordaten entstehen. Durch
modellbasierte oder KI-basierte Generie-
rung von Ereignissen werden daraus pro-
zessrelevante Informationen extrahiert.
Anschließend erfolgt mit Techniken des
Process Minings die Analyse der Abläufe,
die Erkennung von Abweichungen oder die
Identifikation von Optimierungspotenzialen
innerhalb der betrieblichen Prozesse. Nach
Ableitung von Handlungsempfehlungen er-
folgt eine Rückkopplung in den Prozess. Es
wird eine automatisierte Produktionspla-
nung auf Basis objektiver Daten ermöglicht.
IoT-Devices wie Smart Tags, RTLS oder
Wearables bieten eine effizientere Aufga-
benbearbeitung und neuartige Interakti-
onsmöglichkeiten zur Prozesssteuerung.
Mehr Informationen unter:
www.iis.fraunhofer.de/process-mining
Fraunhofer IIS
Hanna Herger
HALLE 3A-507
HYBRIDRADIO: AUS DREI WIRD EINS
Die Lokalisierung von Personen und
Objekten wird besonders für aktuelle
und zukünftige IoT-Anwendungen immer
relevanter. Kommunikationstechnologien
mit der Möglichkeit zur Lokalisierung bieten
hierfür oft den entscheidenden Mehrwert.
Locadis® ist eine feldstärkenbasierte
Lokalisierungstechnologie für zellulare Kom-
munikationsnetze. Auf Basis von erhobenen
Referenzwerten ist eine präzise Lokalisierung
im Innen- und Außenbereich möglich.
Das durch Patent geschützte Verfahren
kommt als softwarebasierte Lösung in
vielen Umfeldern zum Einsatz.
Die infrastrukturbasierte Ortung locadis®
ist für bestehende Kommunikationstech-
nologien wie WLAN, BLE, MIOTY® oder
5G geeignet. Besonders für bestehende
IoT-Netze kann die Lokalisierung einfach
und kostengünstig integriert werden.
Ortung in Massive IoT-Netzen
Der Einsatz von locadis® ist besonders
für Anwendungen geeignet, bei denen
Sicherheit, Datenintegrität und ein massive
Multi-Node Betrieb gefordert wird.
Mit locadis® lässt sich sowohl eine flä-
chendeckende, kontinuierliche Ortung für
Heatmaps, Trajektorien oder Wegeführung
realisieren als auch eine punktuelle Ortung
für Führungen, Entfluchtung oder Notrufe
ermöglichen.
Durch die Kombination von locadis®
mit verschiedenen Kommuni ka tions tech-
nologien ist es somit möglich aktuelle und
zukünftige IoT-Lokalisierungslösungen im
Bereich Smart City und Industrial IoT zu
bedienen.
www.iis.fraunhofer.de/locadis
Fraunhofer IIS
Hanna Herger
LOCADIS® – PRÄZISE LOKALISIERUNG FÜR IOT-NETZE
Moderne Hybridradios schalten automa-
tisch zwischen analogem UKW, digitalem
DAB+ und Internetstreams hin und her.
Sie suchen immer die beste Empfangs-
quelle für ein Radioprogramm und bieten
so einen störungsfreien Hörgenuss für
unterwegs. Regionale Lieblingspro-
gramme lassen sich auf diese Weise auch
außerhalb des jeweiligen Sendegebiets
weiterhören.
Die Integration von Fraunhofer Soft-
warekomponenten ermöglicht diese
Hybridfunktion in Infotainmentsystemen.
Sie machen Radioplattformen flexibel für
verschiedene Märkte oder Fahrzeugklas-
sen und garantieren eine kompromisslose
Audio-Qualität. Komplettiert wird die
Softwarelösung für hybride Autoradios
durch Daten-Decoder, die neben dem
Audioprogramm auch Bilder, Textmeldun-
gen und Zusatzinformationen liefern.
Hierfür bietet das Fraunhofer-Institut für
Integrierte Schaltungen IIS eine Full-Stack-
Lösung: von der Basisband-Decodierung
bis zur Audiowiedergabe inklusive einem
webbasierten User-Interface.
Diese Implementierung ermöglicht eine
parallele Verarbeitung mehrerer Ein-
gangspfade in Echtzeit sowie den Zugriff
über Low- und High-Level-Schnittstellen
(C++ und REST-API) auf die entsprechen-
den Komponenten.
Zusätzlich umfasst die Hybridradio-Imple-
mentierung einen Client für IP-basiertes
Streaming.
Fraunhofer IIS
Martin Speitel
© Fraunhofer IIS / Hanna Herger © iStock.com/gonin
Mit einem neuen Highspeed Link
können Datenraten bis 16 Gbit/s über ein
einfaches Kupferkabel von 15 m Länge
in Echtzeit übertragen werden. Der Elek-
tronikbaustein eignet sich besonders für
hochbitratige Datenströme mit Echtzeit-
anforderungen in Fahrerassistenzsystemen
mit Machine Vision, aber auch für die
Anbindung mobiler Endgeräte sowie für
Multimedia-Anwendungen im Fahrzeug.
Diese Anwendungen benötigen einen
hohen Datendurchsatz auf einem
ein fachen, leichten und günstigen Kupfer-
kabel bei niedrigem Stromverbrauch und
geringer Laufzeit der Daten.
Der Physical Layer überträgt 16 Gbit/s
über ein einzelnes Twisted-Pair-Kabel von
bis zu 10 m Länge oder ein Koax-Kabel
von bis zu 15 m und verbraucht dabei
weniger als ein Watt pro Sender- und
Empfängerpaar.
Die minimale Laufzeit stellt Videodaten für
die Machine Vision-Anwendungen und
Mensch-Maschine-Interaktion in Echtzeit
zur Verfügung. Das universelle Design
dieser Entwicklung ermöglicht die effektiv
gleichzeitige Übertragung unterschiedlichs-
ter Inhalte mit verschiedenen Anforderun-
gen und erlaubt so die Übertragung bisher
paralleler Verbindungen über ein Kabel.
Ähnliche Anforderungen finden sich in der
Fertigungsautomatisierung und Robotik,
z. B. im Bereich Umfelderkennung und
Materialprüfung, in der Medizintechnik
sowie beim Broadcasting mit mehreren
Kameras/HD-Video-Strömen.
Fraunhofer IIS
Conrad Zerna
LEISTUNGSEFFIZIENTE VERNETZUNG IM AUTO FÜR DATENRATEN BIS 16 GBIT/S
Lösung für den automatisierten
Analogentwurf
Während der Entwurf digitaler Schaltun-
gen heute weitestgehend automatisiert
ist, werden analoge Komponenten zum
Großteil immer noch manuell entworfen.
Mit der steigenden Miniaturisierung
wird diese Aufgabe noch komplexer
und fehleranfälliger. Daraus folgen lange
Entwicklungszyklen und hohe Kosten.
»Intelligente IPs« sind eine sichere und
erprobte Lösung, um den analogen
Schaltungsentwurf zu automatisieren.
Durch die automatische Migration von
analogen Komponenten erhöht sich die
Zuverlässigkeit eines Entwurfs und das
Risiko bei der Einführung neuer Produkte
wird gesenkt.
Fraunhofer IIS
Institutsteil
Entwicklung Adaptiver Systeme EAS
Benjamin Prautsch
Moderne Packaging-Lösungen für
innovative IPs
Mit steigendem Funktionsumfang elek-
tronischer Systeme und zunehmender
Miniaturisierung stoßen traditionelle
Chip aufbauten immer stärker an ihre
technologischen und wirtschaftlichen
Grenzen. Neuartige Konzepte in der
Systemintegration erlauben einen höhe-
ren Datendurchsatz bei gleichzeitig
sinkendem Energieverbrauch und redu-
ziertem Flächenbedarf.
Das Fraunhofer IIS / EAS unterstützt mit
aktuellstem Know-how bei kundenspezi-
fischen Projekten zu modernen Packa ging-
Technologien von der Konzipierung bis
zum Prototypen.
Fraunhofer IIS
Institutsteil
Entwicklung Adaptiver Systeme EAS
Andy Heinig
© Fraunhofer IIS / EAS© Fraunhofer IIS / EAS/ Oliver Killing
Damit die RFID-Technologie auch in
Zukunft Lösungen für unterschiedliche
Anwendungen bietet, ist es notwendig,
sich den neuen Herausforderungen zu
stellen. Insbesondere der Einsatz der RFID-
Technologie in metallischen Umgebungen
sowohl für industrielle als auch für medizi-
nische Anwendungen ist anspruchsvoll.
Hier können zwei mögliche Szenarien
unterschieden werden:
1. Der Transponder (Tag) befindet sich in
einer metallischen Umgebung, z. B. in
einem metallischen Behälter.
2. Der Tag wird direkt in / auf einem
metallischen Substrat angebracht.
Beide Fälle sind mit unterschiedlichen
Schwierigkeiten verbunden. Im ersten Fall
ist das Auslesen der Tags aufgrund der
Bildung von stehenden Wellen schwierig.
Im zweiten Fall ist die Beeinflussung des
Tags auf einem metallischen Hintergrund
besonders problematisch. Diese typischen
Herausforderungen müssen in immer
klei neren Tags gelöst werden.
Das Fraunhofer IMS entwickelt in diesem
Bereich neue RFID-Technologien, die für
den Einsatz auf oder in Metall optimiert
sind (RFID in/auf Metall). Zur Leistungs-
steigerung von RFID-Tags auf oder in Metall
wird der SHF-Bereich (Super High Frequency)
genutzt. Das SHF-Band bietet insbesondere
durch die höhere Bandbreite viele Vorteile
gegen über herkömmlichen RFID-Lösungen
für metallische Umgebungen. Bislang ist
kein RFID-Standard im SHF-Bereich auf
dem Markt verfügbar. Das Fraunhofer IMS
arbeitet daher auch aktiv an den Kommu-
nikationsprotokollen für diesen Bereich, um
einen Standard zu etablieren.
Fraunhofer IMS
Martin Bollerott
DIE NÄCHSTE GENERATION DER INDUSTRIELLEN RFID-TECHNOLOGIE
Entwicklung von Steuergeräten
für In-vitro Diagnostik
Bei der Entwicklung von IVD Systemen ist
das effiziente Testen der funktionalen
Komponenten eine Herausforderung, die
oft nur mit aufwendigen und komplexen
Laboraufbauten gelöst werden kann.
Wir am Fraunhofer IIS bieten mit kunden-
spezifischen Development und System
Control Boards effiziente Lösungen für die
Entwicklung und Optimierung von IVD-
Systemen. Abgestimmt auf die Funktio-
nalität des IVD-Geräts erarbeiten wir
gemeinsam mit dem Kunden Systemspezi-
fikationen und entwickeln individuelle
Steuergeräte mit parametrierbarem User
Interface. Dabei umfasst unser Dienstleis-
tungsangebot u.a. das Design und Layout
von PCBs, Rapid Prototyping, Embedded
Programmierung sowie die Entwicklung
von GUI bzw. Webinterfaces. Die Entwick-
lung neuer sensorischer Frontends sowie
Kommunikationsstandards, wie POCT1-A,
runden unser Portfolio ab.
Entwicklung intelligenter Sensor-
module für mobiles Monitoring
Wir entwickeln am Fraunhofer IIS indivi-
duelle Lösungen für Sensorik und Analyse
von physiologischen Parametern. Für die
Erfassung der physiologischen Parameter
nutzen wir z.B. Elektroden, Atmungsbän-
der oder kapazitive Sensorik. Damit un-
sere diskreten Sensormodule Vitaldaten
im mobilen Alltag erfassen und in Echt-
zeit analysieren können, setzen wir auf
Low-Power-Konzepte sowie auf robuste
Algorithmen für Embedded Systems.
Die miniaturisierte anwendungsnahe
Integration, z.B. in Textilien, Möbeln oder
Fahrzeugen, erlaubt eine mobile und an-
ge nehme Datenaufnahme passend zum
Anwendungsszenario. Für die Analyse der
aufgenommenen Biosignale bereiten wir
diese auf und berechnen charakteristische
Kennwerte, wie Herzrate oder Herzraten-
variabilität.
Fraunhofer IIS
Christian Hofmann
© Fraunhofer IMS © Fraunhofer IIS / Bianca Möller© Fotolia
Hochintegriertes Kamera-Radar-Modul
als Grundbaustein für autonomes
Fahren
Das Fraunhofer IZM entwickelt ein redun-
dantes Sensorsystem für die Umfelder-
kennung von autonom fahrenden
Fahr zeugen. Heute stehen beim autono-
men Fahren verschiedene Sensorprinzipien
zur Verfügung. Eine Sensortechnologie
alleine reicht allerdings nicht aus, um den
enormen Anforderungen beim autonomen
Fahren zu genügen: Ein Kamera-System
funktioniert nur bei guten Sicht-
verhältnissen, Radar- oder Lidarsensoren
können keine Verkehrszeichen erkennen.
Deshalb integriert das Fraunhofer IZM
optische Kameras und optische Sensoren
auf engstem Raum in einer Einheit.
Das entwickelte Modul wird in Testfahr-
zeuge eingebaut und in urbaner Umge-
bung sowie der Landwirtschaft getestet.
Fraunhofer IZM
Harald Pötter
Die Anwendung von Deep Learning in
Embedded-Geräten liegt stark im Trend.
So ist eine Vielzahl an KI-Chips angekün-
digt, erste Produkte sind bereits auf dem
Markt. Sie versprechen intelligente Signal-
auswertung und Entscheidungen bei
geringen Kosten und niedrigem Strom-
verbrauch.
Bisherige neuronale Netzwerkarchitektu-
ren wie Deep Neural Networks erfordern
komplexe Rechenleistungen und verzeich-
nen einen hohen Energieverbrauch.
Neuromorphe Hardware dagegen setzt
auf massive Parallelverarbeitung und führt
Rechenvorgänge, zum Beispiel im Bereich
des maschinellen Lernens, besonders
schnell und energieeffizient aus.
Fraunhofer IIS
Alexander Jaschke
Dr. Loreto Mateu
Effiziente Architekturen für neuromorphe
Hardware sind daher mit Hinblick auf
Rechenleistung, Energieverbrauch und
Chipfläche ein entscheidender Faktor für
einen breiten Einsatz neuronaler Netze in
Embedded-Produkten.
Das Fraunhofer IIS stellt verschiedene
neuromorphe Hardware-Architekturen
vor. Darunter befinden sich neuartige
Ansätze, die das menschlich arbeitende
neuronale Netz näher an den Chip
bringen.
IP-CORES FÜR KI-CHIPS
© Fraunhofer IZM / Volker_Mai © zapp2photo – stock.adobe.com
AIfES (Artificial Intelligence for Embedded
Systems) ist ein stetig wachsendes Softwa-
reframework für maschinelles Lernen auf
Mikrocontrollern. AIfES enthält aktuell ein
vollständig konfigurierbares Feedforward
Neural Network (FNN). AIfES ist vollständig
in C implementiert und verwendet aus-
schließlich Standardbibliotheken; dies er-
möglicht eine Portierung auf praktisch alle
Plattformen. Alle Algorithmen sind mög-
lichst ressourcenschonend und effizient
implementiert, um auch das Training auf
einem Microcontroller zu ermöglichen.
In der neuen Version von AIfES ist es auch
möglich Festkommaarithmetik für die
Berechnung zu nutzen; dies ist bei Mikro-
controllern ohne Gleitkommaunterstüt-
zung besonders effizient.
Mit dem Demonstrator »Embedded KI für
die Erkennung von Gesten« zeigt das
Fraunhofer IMS den Einsatz der AIfES-Bib-
liothek zur Erkennung und Bewertung von
komplexen Bewegungen. Als Sensor für
die Gestenerkennung wird ein 9-Achsen-
Orien tierungssensor genutzt, welcher ak-
tuell mit einem Cortex-M4 (STM32F303K8)
Mikrocontroller verbunden ist.
Für die komplexe Gestenerkennung wurde
am Fraunhofer IMS eine spezielle Merk-
malsextraktion entwickelt, welche die Ein-
gangsdaten stark komprimiert und so ein
besonders kleines neuronales Netz mit nur
12 Neuronen in einem Hidden Layer er-
möglicht. Als Beispielgesten wurden in die
Luft geschriebene Ziffern von 0 bis 9 ein-
trainiert, welche direkt auf dem Mikrocont-
roller klassifiziert werden. Auch weitaus
komplexere Gesten lassen sich problemlos
auf der Basis desselben Netzes trainieren.
Sobald der Mikrocontroller eine Geste
klassifiziert hat, sendet er das Ergebnis
drahtlos an einen Roboterarm, welcher
abhängig von der Geste eine vordefinierte
Bewegung ausführt.
Weitere Informationen unter: www.aifes.de
Fraunhofer IMS
Martin Bollerott
EMBEDDED-KI FÜR DIE ERKENNUNG VON GESTEN
Die AIRI5C Prozessorkerne des Fraun-
hofer IMS kombinieren die Leistungsfä-
higkeit moderner 32 Bit RISC-Prozessoren
mit optimierten KI-Beschleunigern und
robusten Security-Funktionen auf mini-
malem Raum. Die Kerne wurden speziell
für die Integration in Chips für Aufgaben
der Sensorsignalverarbeitung im industri-
ellen Umfeld entwickelt, z.B. für das In-
dustrielle Internet der Dinge. Durch die
Unterstützung des lizenzfreien und offe-
nen RISC-V Befehlssatzes können die
Kerne kostengünstig in kundenspezifische
Chips integriert werden und bieten eine
umfassende Unterstützung durch etab-
lierte Softwarewerkzeuge und eine breite
Nutzergemeinschaft.
Die Kerne zielen auf kostensensitive An-
wendungen und solche mit minimalem
Energiebudget wie z.B. in hohen Volu-
men eingesetzte drahtlos angebundene
Sensoren. Für die Entwicklungsunterstüt-
zung stellt das Fraunhofer IMS die
AIRI5C-Kerne als Softcores für gängige
FPGAs zur Verfügung und liefert mit der
AIfES-Softwarebibliothek eine optimal
auf die AIRI5C-Plattform abgestimmte
Implementierung von KI-Algorithmen.
Für die Integration in einen ASIC kann
der Kern mit zusätzlichen Koprozessoren,
analogen Frontends und Kommunikati-
onsschnittstellen kombiniert werden –
das Fraunhofer IMS stellt hierzu eine
umfangreiche Sammlung an Entwick-
lungen zur Verfügung.
Fraunhofer IMS
Martin Bollerott
AIRI5C PROZESSORKERNE MIT KI-BESCHLEUNIGER
© Fraunhofer IMS
EMBEDDED WORLD 2020, HALLE 4 STAND 460/470 EMBEDDED WORLD 2020, HALL 4 BOOTH 460/470
SENSORSYSTEME UND IOT-KOMMUNIKATIONSENSOR SYSTEMS AND IOT COMMUNICATION
1 MIOTY® Wartungsfreies LPWAN durch Energy Harvesting MIOTY® Maintenance-free LPWAN technology by energy harvesting
3 Locadis®- Präzise Lokalisierung für IoT-Netze Locadis®- Precise Positioning for IoT networks
4 IoT-basiertes Prozessmanagement / IoT based process management 5 Hardware Kryptoelemente in CMOS / Hardware crypto elements in CMOS 7 Die nächste Generation der industriellen RFID-Technologie Next-generation industrial RFID-technology
9 Struktur-integrierte drahtlose Sensortechnologie Structure integrated wireless sensor technology
10 Design-Automatisierung für Analog/Mixed-Signal und Packages Design Automation forAnalog/Mixed-Signal and Packages
12 Ultra-Low-Power-Technologie RFicient® für das Internet der Dinge Ultra-Low-Power-Technologie RFicient® for IoT
14 IC-Design / IC Design
16 Drahtloses Sensorsystem für die Überwachung von Abwasserrohrsystemen Wireless sensor system for sewage pipe monitoring
17 RF Design und Charakterisierung für High-Speed & Low-Power Systeme RF Design und Characterization for High-Speed & Low-Power Systems
AUTOMOTIVE ANWENDUNGEN/ AUTOMOTIVE APPLICATIONS
2 Hybridradio / Software Defined Radio 11 Leistungseffiziente Vernetzung im Auto für Datenraten bis 16 Gbit/s Automotive 16 Gbit/s Copper Cable Data Transmission
MEDIZINISCHE ANWENDUNGEN/MEDICAL ENGINEERING
15.1 Rapid Prototyping für In-vitro Diagnose / Rapid Prototyping for In-vitro Diagnostics
15.2 Medizinische Sensorsysteme für mobiles Monitoring und Diagnose Medical sensor systems for every day monitoring and reliable diagnosis
KI/AI
6 AIRI5C Prozessorkerne mit KI-Beschleuniger / AIRI5C AI enabled processor cores 8 Künstliche Intelligenz für eingebettete Systeme / AI for embedded systems 13 Neuromorphe Hardware: IP-Cores für KI-Chips / IP Cores for AI chips
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