Funk-Vernetzung Gebäudeautomation mit Energy-Harvesting-Funk

Energy-Harvesting-Funk in der Gebäudeautomation immer beliebter
Energy-Harvesting-Funk in der Gebäudeautomation erfreut sich steigender Anwendungszahlen

In der Gebäudeautomation werden Funktechniken immer beliebter. Sie bieten mehr Flexibilität bei der Planung und sparen in der Installationsphase oder Nachrüstung eine aufwendige und teure Verkabelung. Bei batterielosen Funklösungen entfällt zudem die Wartung im Betrieb. Das Beispiel einer Lichtsteuerung zeigt den Unterschied zu ¬verdrahteten Lösungen.

Sensoren dienen in einem Gebäude als Sinnesorgane, die unterschiedliche Daten wie Temperatur, Feuchte, Anwesenheit oder CO2 erfassen, um Aktoren intelligent zu steuern. Die Vernetzung der Komponenten ist aufgrund der notwendigen Verkabelung jedoch aufwendig und kosten-intensiv. Funklösungen bieten hier die nötige Flexibilität. Allerdings sind diese in der Regel von Batterien abhängig, die zyklisch ausgetauscht werden müssen. Dadurch sind ihre Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt und der Betrieb ist wartungsintensiv, besonders bei großen Installationen. Hinzu kommt, dass Batterien langfristig teuer sind und als umweltbelastender Sondermüll entsorgt werden müssen.

Energiearmer Funk

Alternativ dazu hat sich in den vergangenen zehn Jahren die batterielose Funktechnik in der Gebäudeautomation etabliert. Die Charakteristika des energiearmen Funks sind dabei speziell für die Datenübertragung in Gebäuden ausgelegt. Denn die meisten Automatisierungsfunktionen in den Gewerken erfordern lediglich eine kurzzeitige Übertragung von jeweils wenigen Informationen. Dazu gehören das Schalten von Licht und Geräten, die Bedienung von Jalousien und das Senden und Empfangen von Daten über Sensoren, die Temperatur, Anwesenheit, Lichtintensität oder auch Luftgüte erfassen. Der Funk muss bei batterielosen Geräten unter speziellen Voraussetzungen arbeiten können. Die Energiewandler (elektromechanisch, solar, thermisch), die die Versorgung der Module anstelle von Batterien übernehmen, können nur kleine Mengen an Energie bereitstellen. Daher ist es für die meisten Anwendungen notwendig, die Energie über einen gewissen Zeitraum zu akkumulieren und mit jeder Aktivität möglichst wenig davon zu verbrauchen.

Effizient im Standby- und im Arbeitsmodus

Eine der zentralen Anforderungen eines derart energieeffizienten Systems ist ein extrem niedriger Strombedarf. Die Komponenten müssen also mit wenig Energie im Ruhemodus auskommen. Klassische Elektronikgeräte haben in der Regel eine Standby-Aufnahme von wenigen mA, während sich energie-optimierte Embedded-Produkte im Bereich von wenigen µA bewegen – eine Verbesserung um den Faktor 1000. Durch spezielle Konstruktionsverfahren und optimierte Komponenten benötigt die aktuelle Generation batterieloser EnOcean-Funksensoren lediglich einen Standby-Strom von 100 nA oder weniger, also um das 10.000-fache geringer.

Aber auch die Aktivität des Messens und Sendens darf bei batterielosen Geräten nur wenig Energie aufwenden. Entsprechend effektiv muss das Funkprotokoll arbeiten. Sensoren übertragen in der Regel Nutzdaten von nur wenigen Bytes. Zusätzlich muss aber auch der Protokoll-Overhead so gering wie möglich gehalten werden. Bei IPv6 beispielsweise ist alleine der Header 40 Bytes groß, sodass selbst die Übertragung von nur ein bis zwei Bytes Nutzdaten mit der Energie aus Energy-Harvesting-Wandlern unmöglich wird.

RORG DATA

 Source ID

 STATUSHASH
 1 Byte 1 Byte 4 Byte 1 Byte 1 Byte
Die Protokoll-Struktur des Funkstandards ISO/IEC 14543-3-10 ist für eine energiearme Datenübertragung optimiert.

Bei Sensoren wäre das ein Overhead von mehr als 2000 % bei weniger als 5 % Anwendungsdaten. Alles andere als effizient also. Das anwendungsoptimierte Protokoll des Standards ISO/IEC 14543-3-10 (Tabelle) ist dagegen auf eine weitaus bessere Energieausnutzung ausgelegt.

Das spezielle „Drahtlosprotokoll für kurze Datenpakete (WSP) – optimiert für Energy Harvesting“ hat eine minimale Telegrammlänge von weniger als einer ms bei einer Datenrate von 125  kbit/s. Es benötigt für die Übertragung von einem Byte Nutzdaten lediglich einen Protokoll-Overhead von sieben Byte. Für die Gebäudeautomation kommen weitere spezifische Forderungen hinzu. So wird das kurze Telegramm zufallsgesteuert innerhalb von etwa 40 ms zweimal wiederholt.

Dadurch lassen sich Sendefehler oder auch Datenkollisionen ausschließen beziehungsweise extrem gering halten. Zahlreiche batterielose Funkschalter und -sensoren (Bild 1 und Bild 2) können damit eng nebeneinander installiert und gleichzeitig betrieben werden.

Gut nutzbar: das Frequenzband unter 1 GHz

Der ISO/IEC-Standard verwendet in Europa das 868-MHz-Band. Dieses lizenzfreie Frequenzband ist in der Regel weniger belastet als das 2,4-GHz-ISM-Band. Das ermöglicht eine sichere Übertragung mit geringen Interferenzen gegenüber anderen Funksendern bei gleichzeitig schneller Systemreaktionszeit. Für eine flächendeckende und zuverlässige Gebäudeautomation auf Funkbasis ist deshalb das 868-MHz-Band besser geeignet. Die Frequenzen unter 1 GHz zeichnen sich zudem durch deutlich niedrigere Dämpfungsverluste durch Wände aus und erreichen ungefähr die doppelte Reichweite bei gleicher Sendeleistung wie ein Funksystem mit 2,4 GHz. Deshalb benötigt ein 2,4-GHz-System in der Fläche etwa viermal mehr Empfangsknoten.

In Deutschland besteht eine geringe Möglichkeit, dass LTE-Netze im 860- MHz-Band batterielose Funkempfänger stören können. Allerdings kann dies nur in der unmittelbaren Umgebung von Datenkonzentratoren wie Routern auftreten, die hohe Datenraten (Uplinks von 10 bis 12 Mbit/s) über einen längeren Zeitraum verarbeiten. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Interferenz sehr gering ist, sind batterielose Funkmodule mit einem optimierten SAW-Filter (Surface Acoustic Wave) ausgestattet, der die Funkkommunikation gegen mögliche LTE-Störungen schützt