Sensoren zu Pflugscharen Powerline-Kommunikation in der Landwirtschaft

Es kann überaus nützlich sein, Sensoren in Gebäude, Maschinen und die Umwelt zu integrieren und durch eine Möglichkeit zu ergänzen, die erfassten Informationen effizient verfügbar zu machen. Besonders in automatisierten Landwirtschaftsbetrieben erleichtern es Sensornetzwerke, wichtige Daten zu erheben und gezielt darauf zu reagieren. Hier bietet sich die Kommunikation über das Elektrizitätsnetz besonders an, da das Verlegen neuer Leitungen nicht ganz einfach ist.

Reizvoll an drahtlosen Sensornetzwerken ist unter anderem die Möglichkeit, eine große Zahl kleiner Netzwerkknoten zu installieren, die sich selbst zusammenfinden und konfigurieren. Die Nutzungsszenarien solcher Komponenten sind vielfältig und reichen von der Echtzeit-Verfolgung über die Überwachung von Umweltbedingungen und Rechnerumgebungen bis hin zu der Möglichkeit, den ordnungsgemäßen Zustand von Gebäuden oder Anlagen in Echtzeit zu überwachen.

Ganz allgemein bringen drahtlose Sensornetzwerke aber erhebliche technische Probleme mit sich, was die Datenverarbeitung, die Kommunikation und das Sensormanagement betrifft. Insgesamt sind die folgenden Herausforderungen typisch für Sensornetzwerk-Applikationen:

  • Skalierbarkeit – Die Zahl der installierten Sensorknoten kann in die Tausende gehen. Erhöht man die Zahl der Knoten im System, wird dies entweder die Betriebszeit oder die effektive Abtastrate beeinflussen. Je mehr Abtastpunkte vorhanden sind, umso mehr Daten müssen übertragen werden und umso höher wird der Stromverbrauch des Netzwerks.
  • Topologie – Damit ein Sensor in einem Netzwerk ordnungsgemäß funktionieren kann, muss er Informationen über das Netzwerk haben. Jeder Knoten muss die Identität und den Standort seiner Nachbarn kennen, um die Verarbeitung und Kooperation zu unterstützen. Für Ad-hoc-Netzwerke muss die Netzwerk-Topologie zudem in Echtzeit erstellt und überdies periodisch aktualisiert werden, wenn Sensoren ausfallen oder neue Sensoren installiert werden.
  • Produktionskosten – Abgesehen von einem oder mehreren Sensoren ist jeder Knoten eines Sensornetzwerks in der Regel mit einem Funk-Transceiver oder einer anderen drahtlosen Kommunikationseinrichtung ausgestattet. Hinzu kommen ein kleiner Mikrocontroller und eine Energiequelle (meist eine Batterie). Da ein Sensornetzwerk aus einer großen Anzahl Knoten besteht, ist der Preis des einzelnen Knotens von größter Bedeutung.
  • Übertragungsmedien – Die meisten Sensornetzwerke sind durch ein drahtloses Medium verbunden, also per Funk, per Infrarot oder optisch. Hier sind Aspekte wie die Frage nach der Lizenzierung des Spektrums, die Betriebssicherheit, die Übertragungsdistanz, die Kosten, die Einfachheit der Implementierung usw. zu berücksichtigen.
  • Stromverbrauch – Höchste Priorität unter den Überlegungen zu einem Sensornetzwerk hat der Stromverbrauch. Auf dem Papier mag das Konzept eines drahtlosen Sensornetzwerks noch so praktisch und reizvoll erscheinen – wenn aber regelmäßig Batterien gewechselt werden müssen, wird sich die betreffende Technik nicht allgemein durchsetzen.

Einen Ausweg bietet die PLCTechnik (Powerline Communication). Diese nutzt die bestehenden Stromversorgungskabel für die Vernetzung und Kommunikation und vermeidet damit sowohl die Kosten als auch den Aufwand antennenbasierter Netzwerke. Inzwischen lassen sich auch Outdoor- Anwendungen realisieren.

Kommunikation per Stromleitung

PLC gestattet die Übertragung von Daten über das Stromnetz, sodass sie sich mithilfe von Verlängerungskabeln erweitern lassen und PLC-Netzwerke so prinzipbedingt skalierbar macht. Die Netzwerke basieren auf einer Bus-Topologie, alle Einheiten nutzen das Übertragungsmedium also gemeinsam. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass der 50-Hz-Netzspannung ein schwaches hochfrequentes Signal überlagert wird, das sich im Stromnetz fortpflanzt und das angeschlossene Geräte empfangen und decodieren können. Mehrere Sensorknoten können über die Stromverkabelung Daten an ein und denselben Empfänger schicken. Ein wichtiges Thema bei Netzwerksystemen mit Bus-Topologie ist die Adressierung. Bei dem PLC-Netzwerkprotokoll von Cypress lassen sich Adressen einerseits manuell zuweisen, andererseits erkennt der Controller neue Knoten auch automatisch. Dank der Bus- Topologie sind keine komplexen Routing-Algorithmen nötig, außerdem ist die Reichweite größer als bei der Funkübertragung. Reicht sie dennoch nicht aus, schaffen Repeater Abhilfe.

Mit dem »CY8CPLC20« bietet Cypress einen PLC-Chip an, der den Powerline-Modem-PHY und den Netzwerk-Protokollstapel in einem Baustein vereint. PLC-Knoten sind auf irgendeine Art von Kopplung angewiesen, um einerseits die Netzspannung von den Eingangsschaltungen fernzuhalten und andererseits möglichst viel Energie zwischen dem Niederspannungsnetzwerk und dem Modem zu übertragen. Das Verfahren sollte sich für alle Signale innerhalb der verwendeten Bandbreite eignen, während Signale außerhalb dieses Frequenzbands (insbesondere die Netzfrequenz) möglichst stark zu bedämpfen sind.

Diese Technik ist mit zahlreichen juristischen Aspekten behaftet, denn die PL-Kommunikation muss mit anderen Geräten verträglich sein, die an dasselbe Netzwerk angeschlossen sind oder dasselbe Frequenzspektrum nutzen. Die PLC-Lösung von Cypress gehört zu den schmalbandigen Applikationen, die in Europa bezüglich Störaussendung, Störimmunität, Impedanz usw. den Standard EN 50065 erfüllen müssen. In den USA ist die Vorgabe der FCC 15.133 maßgeblich. Die PLC-Lösung von Cypress erfüllt beide Normen.