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Drahtlose Sensornetze

Autonomes Funken in der vernetzten Welt

02. März 2020, 14:45 Uhr   |  Christian Mauderer

Autonomes Funken in der vernetzten Welt
© metamorworks / Adobe Stock

Autonome Funkknote: einsetzbar von der Hausautomatisierung bis hin zur industriellen Nutzung.

Ob bei der Gebäudeautomatisierung oder Industrie 4.0: Immer mehr Geräte sind vernetzt. Dabei sind zahlreiche Sensoren im Spiel – am besten geeignet dafür sind drahtlose Sensoren, die dank Energy Harvesting autark funken. Eine Basis hierfür hat Embedded Brains mit der Plattform Elephant entwickelt.

Bei der Modernisierung oder dem Neubau von Gebäuden kommt aus Komfortgründen immer mehr automatisiert. Ein typischer Anwendungsfall ist etwa eine automatische Rollladensteuerung: Im Sommer soll der Rollladen bei direkter Sonneneinstrahlung schließen, um ein Aufheizen des Hauses zu vermeiden. Kommt jedoch Wind auf, sollte der außen befestigte Rollladen wieder in seine Ruheposition gebracht werden, um ihn vor Schäden zu schützen. Das Messen des Windes oder der Sonneneinstrahlung übernimmt ein Außensensor, der meist über Kabel angeschlossen ist - und somit unerwünschte Wärmebrücken bildet.

Drahtlose Sensornetze

Als Alternative bietet sich hier der Einsatz drahtloser Sensorik an. Neben dem Vorteil, dass kein Kabel die Isolierung unterbricht, lässt sich diese auch deutlich flexibler anbringen. Man kann problemlos einen Helligkeitssensor pro Seite montieren sowie einen Windsensor auf dem Dach, ohne dass eine zusätzliche Leitung geplant werden muss. Die Anlage im Inneren des Hauses benötigt je nach Größe des Gebäudes nur ein oder zwei zentrale Empfänger.

Die Frage der Stromversorgung und der Wartung löst sich dadurch, dass die Funksensorknoten die nötige Energie vollkommen autark aus ihrer Umgebung gewinnen können – per Energy-Harvesting. Die zentralen Knoten im Haus sind dann für das Sammeln und Auswerten der Daten verantwortlich.

Embedded Brains
© Embedded Brains

Bild 1: Die Plattform Elephant basiert auf einem STM32-Controller und nutzt das niedrige 868-MHz-Frequenzband. Eine flexible, applikationsspezifische Versorgung ist durch den Einsatz unterschiedlicher Harvesting-Module gewährleistet.

Autarke Versorgung

Als Quelle für das Energy-Harvesting kommen alle Effekte in Frage, aus denen sich mittels Energiewandlern zumindest geringe Mengen an elektrischer Energie erzeugen lassen. Klassische Beispiele hierfür sind Licht oder Wärmeunterschiede. Entsprechende Wandler wären Solarzellen oder Peltierelemente. Auch Vibrationen können genutzt werden (mittels elektromechanischer Wandler). Bei den oben genannten Sensoren – Wind oder Helligkeit – bietet sich eine direkte Ableitung aus den gemessenen Größen ab: Ein Windsensor kann aus der Rotation eines Schalenkreuzanemometers Energie abzweigen, soweit dieses dadurch nicht zu stark und einigermaßen gleichmäßig belastet wird. Bei einem Helligkeitssensor ist eine Solarzelle eine ideale Energiequelle. Windlose oder dunkle Zeitpunkte können durch das zeitweise Ausbleiben der Meldungen erkannt werden; ein Ausfall durch redundante Sensoren oder ein längerfristiges Ausbleiben einer Meldung. Ein Helligkeitssensor sollte zumindest tagsüber genug Energie haben, um sich zu melden.

Leider wird durch Harvesting-Quellen oft – je nach Energiequelle und den aktuellen Bedingungen – nur eine Leistungsabgabe von einigen 10 Mikrowatt erreicht. Auch wenn die gesammelte Energie gespeichert und dann in größeren Portionen abgerufen wird, ist es immer noch eine Herausforderung, mit dieser Energiemenge ein Mikrocontrollersystem mit Funkanbindung zu betreiben. Da der größte Teil der Energie für das eigentliche Senden von Daten nötig ist, empfiehlt sich der Einsatz eines auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Funkprotokolls.

Verwendet man zusätzlich noch ein niedriges Frequenzband von 868 MHz, kann das bei gleicher Sendeleistung die Reichweite im Vergleich zu Protokollen, die – wie zum Beispiel Bluetooth – im 2,4-GHz-Band arbeiten, noch einmal deutlich verbessern. Der dadurch entstehende Nachteil einer geringeren Bandbreite ist in typischen Sensoranwendungen nicht so entscheidend, da nur sehr kleine Datenmengen anfallen. Die vom 434-MHz-Band bekannten Probleme, dass durch zu starke Auslastung des Bandes Interferenzen mit anderen Geräten auftreten, sind im 868-MHz-Band durch die strengeren Zugriffsregelungen unwahrscheinlicher. Die genannten Zugriffsregelungen beschränken je nach Sub-Band meistens die erlaubte maximale Sendezeit. Da sowieso die meiste Zeit Funkstille bewahrt werden muss, um mit der geringen Energiemenge auszukommen, ist diese Beschränkung kein Problem.

Neben dem Funkstandard gehört der Mikrocontroller zu den größten Verbrauchern. Auch dieser kann die meiste Zeit in einem energiesparenden Zustand verweilen und muss nur für Messungen oder die Vorverarbeitung der Daten aktiv sein.

Bei einem Einsatz für Automatisierung sind meistens nur die aktuellen Werte interessant. Ist eine zeitliche Zuordnung der Messergebnisse nötig, so kann diese mit einem zusätzlichen Timestamp gelöst werden. Hierfür dient im Normalfall ein mit dem Systemtakt des Controllers betriebener Timer. Allerdings lässt sich auch hier Energie einsparen, wenn der normal relativ schnelle und damit auch meist energiehungrige Systemtakt während der Ruhephasen abgeschaltet und stattdessen ein sparsamer Low-Power-Oszillator eingesetzt wird. Dadurch kann der Ruhestromverbrauch des Controllers in den entsprechenden Phasen teilweise auf unter 1 µA gesenkt werden.

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