Ethernet in der Hausautomation Zwillinge auf dem Chip

Weit verbreitet, ausgereift, zuverlässig, kostengünstig und universell verwendbar: Das sind die Eigenschaften, die Ethernet zu einer überzeugenden Wahl im Bereich der Hausautomation machen. Eine Neuentwicklung in dieser Richtung sind Mikrocontroller mit zwei Ethernet-Ports. Neben einer Verbesserung der funktionalen Sicherheit werden neue Anwendungen in der Hausautomation möglich und die Bedientechnik lässt sich nutzerfreundlicher gestalten.

Die Ringtopologie oder Daisy-Chain ist schon längst eine gängige Technologie im industriellen Anwendungsbereich. EtherNet/IP, Powerlink und Profinet sind Beispiele für industrielle Protokolle, die auf Ethernet beruhen und unter anderem eine solche Ringtopologie nutzen. Der Begriff Daisy-Chaining bezeichnet dabei zunächst nur das Aneinanderreihen von mehreren Geräten zu einer Kette (Bild 1). Gegenüber der Sterntopologie lassen sich dabei zum einen Verkabelungskosten sparen – mit Power over Ethernet (PoE) sogar bei der Stromversorgung –, zum anderen sind längere Kommunikationsstrecken möglich.

Bei einer Vernetzung mit Ethernet gibt jeder Teilnehmer die ankommenden Daten aktiv an den nächsten weiter. Somit findet nicht nur eine Kabelverlängerung statt, sondern jeder Knoten erfüllt eine Repeater-Funktion. Damit kann der nächste Knoten bis zu 100 m entfernt sein. Das Daisy-Chaining allein hat jedoch auch Nachteile: Fällt ein Teilnehmer aus, können die nachfolgenden Teilnehmer nicht mehr angesprochen werden. Um in dieser Hinsicht eine Redundanz in das System zu bringen, wird die Daisy-Chain oft als Ring aufgebaut.

Ethernet im smarten Haus

Neben der Redundanz im Netzwerk ist es auch hilfreich, wenn sich ein Teilnehmer selbst überprüfen kann, um einen Ausfall zu detektieren, diesen zu melden und gegebenenfalls den Normalzustand wiederherzustellen. Um die Latenzzeiten zwischen den Knoten gering zu halten, wird bei den FM3-Mikrocontrollern mit zweifachem Ethernet vor allem auf hohe Rechenleistung gesetzt. Dank eines mit 144 MHz getakteten Cores ist die FM3-High-Performance-Familie eine der schnellsten mit eingebettetem Flash-Speicher auf dem Markt.

Mit einem Mikrocontroller mit zwei Ethernet-Schnittstellen sind vor allem Gateway-Anwendungen wie LIN-, CAN-, UART-, I2C-, USB-Host/-Device- und SPI-Schnittstellen zu Ethernet denkbar (Bild 2). Über diese lassen sich ohne großen Aufwand Funktechnologien integrieren, welche die Einbindung von funkgesteuerten Anwendungen wie Aktoren und Sensoren im Netzwerk erleichtern.

Typische Aktoren in der Hausautomation sind Relais zur Schaltung von Licht oder Geräten, Motoren zur Bedienung von Fenstern und Rollläden, Türöffner und Ähnliches. Sensoren sind zum Beispiel zur Erfassung von Temperatur, Feuchtigkeit, Kohlenmonoxid, Gas, Rauch, Licht, Regen, Wasserstand, Anwesenheit oder Bewegung im Einsatz.

Ein am Ethernet angeschlossenes Heizungsmodul oder -Gateway könnte beispielsweise batteriebetriebene Thermostate direkt an den Heizkörpern anfunken und regeln. Ebenso können die Daten von Temperatursensoren im Innen- und Außenbereich problemlos per Funk integriert werden. Da die Heizung direkt an das Hausnetz angeschlossen ist, können auch Fenster und Rollläden eingesetzt werden, um für die optimale Temperatur im Haus zu sorgen.

Ein Alarmanlagenmodul kann entweder kabellos oder mit einer gesondert gesicherten Verkabelung diverse Sensoren abfragen. Diese können das Eindringen von fremden Personen erkennen, jedoch auch andere sicherheitsrelevante Ereignisse wie Gas-, Kohlenmonoxid- oder Rauchaustritt detektieren und sofort die Polizei oder Feuerwehr in Kenntnis setzen. Neben GSM-Modulen wäre es sogar möglich, mit Voice over IP über Ethernet einen Notruf abzusetzen.

Auch im Bereich der Stromversorgung kann Ethernet genutzt werden, um beispielsweise Solaranlagen oder Windräder anzusteuern. So können Solaranlage und Windrad optimal ausgerichtet werden und Daten in Bezug auf die erzeugte Energie weitergegeben werden.

Einige Derivate der FM3-Famile, darunter auch die High-Performance-Familie mit Ethernet, können durch spezielle Motorsteuerungs-Peripherie nicht nur Motoren bewegen, sondern auch diverse Generatortypen, wie zum Beispiel bürstenlose Generatoren „treiben“. Drei unabhängige Motorsteuerungs-Peripherien machen es somit möglich, aus der vom Generator gewonnen Energie Gleichstrom zu generieren und zu speichern, diesen gegebenenfalls wieder in Wechselstrom zu wandeln und beispielsweise das Windrad via Motor in die Richtung des Windes drehen zu lassen.

Aber auch Solarmodule könnten von zwei Motoren ideal ausgerichtet werden und der erzeugte Strom falls nötig wieder in Wechselstrom gewandelt werden. Ethernet hilft wiederum, dem Haus-Bussystem mitzuteilen, welche Energiemenge momentan zu erwarten ist. Elektrische Verbraucher, bei denen die Aktivierung unabhängig von der Tageszeit möglich ist, können somit bei optimaler Versorgungslage eingeschaltet werden. Beispiele für solche Geräte wären Waschmaschinen oder Geschirrspüler. Mit der kommenden Entwicklung von Elektrofahrzeugen, könnten auch diese immer nur dann geladen werden, wenn genügend Energie zur Verfügung steht.