Funksensorknoten Effizient vernetzt

Energy Harvesting für Funksensorknoten muss nicht zwangsläufig kompliziert oder teuer sein. Wählt der Anwender das Kommunikationsprotokoll und die Datenrate sorgfältig aus und nutzt er stromsparende Funk-ICs, können Funksensoren nahezu unbegrenzt und weitgehend autark arbeiten.

von Cristian Toma, Senior Applications Engineer bei Microchip

Wartungsfreie Funksensoren, die per Energy Harvesting versorgt werden, eignen sich besonders für die kostengünstige Vernetzung von Smart-Homes sowie in der Gebäudeautomatisierung und der M2M-Kommunikation. Die Energiemenge, die ein solcher Funksensor »ernten« kann, wird durch Kosten- und Größenaspekte begrenzt. Dabei muss sichergestellt sein, dass die vom Sensor und Funksender verbrauchte Energiemenge niedriger ist als die vom Energy Harvester zugeführte Energie.

Der Hauptvorteil von Energy Harvesting besteht nicht in der sofortigen Kostensenkung pro Einheit, sondern in langfristigen Einsparungen bei den Wartungskosten. Diese Einsparungen sind vor allem dann nützlich, wenn sich die Sensorknoten an abgelegenen oder schwer erreichbaren Orten befinden oder das Netzwerk eine hohe Zahl an Knoten aufweist. In beiden Fällen lassen sich die Funksensoren nahezu unbegrenzt und praktisch ohne menschliches Eingreifen per Energy Harvesting betreiben.

Es gibt verschiedene Quellen, aus denen sich Energie beziehen lässt, wobei Solarenergie am häufigsten zum Einsatz kommt. Die Größe von Solarzellen reicht von großen Panels mit einer Vielzahl einzelner Zellen bis hin zu sehr kleinen Zellen, die zum Beispiel Taschenrechner und Spielzeug versorgen. Zu den anderen Energiequellen zählen Funkwellen, die über eine Antenne empfangen und in elektrische Energie umgewandelt werden (z.B. RFID). Elektromechanische Energie kann über einen Magneten in der Nähe einer Spule abgegriffen werden. Temperaturgradienten stellen mittels des Seebeck-Effekts thermoelektrische Energie für das Energy Harvesting bereit.

Eine Frage der Kompatibilität

Wird eine Funktechnik für ein Energy-Harvesting-Design erwogen, denkt man selbstverständlich anfangs an gängige Funkprotokolle wie ZigBee oder Bluetooth. Jedoch benötigen nicht alle Designs ein Standard-Funkprotokoll mit seinen Kosten oder seiner Komplexität. Die Wahl hängt vom Grad der Kompatibilität ab, die jedes Design erfordert. Funkkopfhörer für ein Mobiltelefon müssen zum Beispiel eine breite Kompatibilität bieten, während eine einfache Funkfernsteuerung nicht kompatibel zu anderen Produkten sein muss.

Jedes Design, das einen Funksensor enthält, ist nach FCC oder CE zu zertifizieren. Diese Kosten betreffen somit alle Designs. Die Zertifizierungskosten für einen bestimmten Standard sind dabei generell höher als für die FCC- oder CE-Zertifizierung und werden meist unterschätzt.

Die Gesamtkosten zur Implementierung eines Funkstandards gehen viel weiter als die grundlegenden Kosten für die Hard- und Software. Bevor der Compliance-Prozess durchlaufen wird, ist das Design einem Pre-Compliance-Test zu unterziehen. Das Anmieten der Spezialausrüstung für diese Tests kann rund 750 US-Dollar pro Monat kosten. Hinzu kommen die Kosten des eigentlichen Zertifizierungsprozesses für den Funkstandard. Dazu zählen die Kosten für die Compliance- und Profile-Tests als auch für die entsprechenden Hardware-Sniffer-Tools. Zusammen ergeben sich für sämtliche Tests rund um den ZigBee-Standard somit Zertifizierungskosten von etwa 3000 US-Dollar. Zusätzlich kann ein jährlicher Mitgliedsbeitrag fällig sein, und auch Lizenzgebühren je Chip (Royalties) können anfallen.