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auf Wiley Analytical Science
Ziel des Forschungsprojekts ist es, Umgebungs- und Zustandsdaten in Laboren kontinuierlich zu erfassen und kritische Systemzustände frühzeitig sichtbar zu machen.
Dafür verbindet iLabMonSys modulare Sensorik, offene Kommunikation und lokale Anomalieerkennung.
Ausgangslage
Prüf-, Kalibrier- und Analyselabore müssen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Partikelbelastung zuverlässig erfassen und dokumentieren. In vielen Laboren werden diese Daten manuell oder nur punktuell erhoben.
Auch Zustandsänderungen an Laborgeräten und Infrastruktur werden häufig erst nachträglich erkannt. Das kann Wiederholungsmessungen oder Stillstände verursachen.
Modulare Sensorplattform mit uniPLATES
Am IUTA wurden verschiedene Sensoren bewertet und mehr als 5.000 gelabelte Datensätze unter definierten Bedingungen erzeugt. Darauf aufbauend entwickelte IMACS die modulare Sensorplattform uniPLATES.
uniPLATES besteht aus stapelbaren Funktions-, Sensor- und Aktuatormodulen. Je nach Messaufgabe lassen sich daraus individuelle Messknoten zusammenstellen.
Ein ESP32 liest die Sensoren aus. Der Sensor-Stack übernimmt außerdem Zwischenspeicherung, Vorauswertung, Datenreduktion und Aktuatorreaktionen.
Aufbau von uniPLATES
uniPLATES ist als modulare Plattform auch für weitere Mess-, Überwachungs- und Automatisierungsaufgaben einsetzbar.
[1] Core Plate
Die Basis bildet die Core Plate mit ESP32, Akku, USB-C-Ladefunktion und WLAN. Sie arbeitet autark und eignet sich damit auch für dezentrale Messstellen, etwa im Außenbereich.
[2] Sensor Plates und [3] Sensor Chips
Je nach Anwendung werden Sensor Plates auf die Core Plate gesteckt. Die farbigen Module im Bild sind die eigentlichen Sensor Chips.
Der gezeigte Aufbau misst Umgebungsdaten wie Magnetfeld, Beschleunigung/Schwerkraft, VOC und Luftdruck. Diese Funktionen werden inzwischen direkt an der Core Plate gebündelt. Ein aufsteckbares Sensormodul erfasst dort Licht, Schall, Magnetfeld, Beschleunigung sowie weitere Umweltdaten über BME690 und VOC-Sensorik.
Ausblick: Sensor Plates sind künftig vor allem für spezifischere Messaufgaben vorgesehen, etwa pH-Messungen. Weitere Plates sollen auch Steuerungsaufgaben übernehmen und dafür mit industriellen M8-Anschlüssen ausgestattet werden.
[4] Solar Plate
Das transparente Modul oben im Bild ist ein Solar Brick zur Ladung des Akkus. Der gezeigte Prototyp nutzt eine kleine Solarfläche; künftig ist die Anbindung größerer Solarmodule, etwa 20 × 20 cm, vorgesehen.
Offene Kommunikation mit LADS OPC UA
iLabMonSys nutzt LADS OPC UA für die herstellerübergreifende Kommunikation zwischen Sensorik und Labor-IT.
LIMS, ELN und Labor-Ausführungssysteme greifen ohne proprietäre Adapter auf die Messdaten zu. Auch die Ergebnisse der Anomalieerkennung werden über OPC UA bereitgestellt.
Lokale Anomalieerkennung
Ein Isolation-Forest-Modell erkennt Abweichungen vom Normalbetrieb. Dafür werden aus den Sensordaten statistische Merkmale wie Mittelwert, Streuung und Steigung gebildet. Gelabelte Fehlerdaten sind nicht erforderlich.
Das System liefert einen Anomalie-Score und zeigt auffällige Messgrößen. Die Auswertung läuft lokal auf einem Raspberry Pi und benötigt keine Cloud-Anbindung.
Nutzen und Ausblick
iLabMonSys schafft eine Grundlage für die kontinuierliche Dokumentation von Laborbedingungen und für Predictive Maintenance. Drift, Signalrauschen, auffällige Temperaturverläufe oder ungewöhnliche Vibrationen lassen sich frühzeitig erkennen.
Kontinuierliche Messdaten können außerdem helfen, Energieeinsparpotenziale zu identifizieren, etwa durch eine bedarfsgerechtere Lüftungsregelung.
Kooperationspartner: IMACS GmbH und Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
Förderung: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
Fachartikel:
„iLabMonSys – intelligentes Labor-Monitoring-System“ von Max Jochums, Andreas Foltinek, Ricardo Cunha und Thorsten Teutenberg, erschienen am 8. Oktober 2026 bei Wiley Analytical Science.
