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Aktoren und Sensoren spielen zusammen und tauschen sich aus : Ausgabe 05/2018, 15.03.2018

Die Vernetzung verändert unser Leben

Vernetzen Sensoren, Aktoren oder Leuchten gehört die Zukunft. Intelligente Sensoren können Daten erfassen, auswerten und wenn nötig an das System senden. Bewegungsmelder können Personen erfassen oder Personenströme erkennen. Diese Informationen lassen sich über ein übergeordnetes System nutzen.

Autor: Tobias Hofer, Geschäftsführer der HSi-Elektronik AG, Text und Bilder

Die verkehrsflussabhängige Regelung der Strassenbeleuchtung ist sicherlich bald Standard. Im Smart Home wird eine grosse Anzahl an Temperatursensoren, Tastern oder Aktoren miteinander verknüpft sein. In der Industrie gewinnt Predictive Maintenance zunehmend an Bedeutung. Sensoren, die Zustände von Motoren überwachen, erzeugen Warnungen oder Meldungen an das System. Firmware Updates erfolgen einfach über das MESH-Netz.

Die Auswertung und die Konfiguration, das Zusammenspiel aller Sensoren und Aktoren machen das System erst intelligent – eine Vernetzung, sei sie drahtgebunden oder per Funk, ist ein grosser Vorteil. So kann man an einem beliebigen zentralen Punkt auf alle Knoten zugreifen. Für sehr robuste Systeme lassen sich auch hybride Lösungen, Funk und Draht, realisieren. Wichtig für ein MESH-Netzwerk ist, dass es sich selbst aufbauen kann. Fällt ein Teilnehmer aus, muss es weiter funktionieren.

Standards haben Vor- und Nachteile

Es gibt viele Funkstandards wie Thread, En-Ocean, Zigbee Pro, Wifi Mesh oder Bluetooth. Alle haben Vor- und Nachteile. So sind bei EnOcean maximal drei Repeater möglich, was ein sehr grosses MESH einschränkt. Thread wird aktuell nur für das 2,4-GHz-Frequenzband unterstützt. Unsere Anforderung bestand darin, eine Lösung einzusetzen, die multimasterfähig ist. Jeder Sensor oder Aktor kann zu einer beliebigen Zeit einen Befehl senden. Alle Teilnehmer können diesen empfangen. Beim Einschalten der Versorgungsspannung müssen sich die Geräte selber vernetzen. Das Funknetz (MESH) muss sich selbst aufbauen. Einzelne Sensoren werden zu Koordinatoren um die Telegramme an Teilnehmer, die nicht in Reichweite des Absenders sind, weiterzuleiten. Zuerst muss man sich entscheiden, ob man das 2,4-GHz-Frequenzband oder das Sub-GHz-Frequenzband (Europa typisch 868 MHz) einsetzen will.

Reichweite hängt vom Funksignal ab

Die Reichweite von einem Funksignal ist abhängig von der Distanz die das Signal zurücklegt. Eine einfache Betrachtung der Dämpfung kann mit Friis-Gleichung erfolgen:

Path Loss = 20 × log[(4 × π × d)/]

Path Loss in dB

d = Distanz

 = Wellenlänge

Wir sehen, dass ein 868-MHz-Signal gegenüber einem 2,4-GHz-Funksignal ca. 8 dB weniger Dämpfung erfährt. Dies entspricht in etwa der doppelten Reichweite im freien Feld. Je mehr Hindernisse wie Wände durchdrungen werden müssen, umso höher ist die Dämpfung. Man könnte in etwa sagen, dass ein 2,4-GHz-Signal bei der Durchdringung einer 20 cm dicken Betonwand etwas doppelt so stark gedämpft wird als ein Signal mit 868 MHz. Auch muss man die Beeinflussung der Empfindlichkeit des Empfängers durch störende Quellen im selben Frequenzbereich beachten. Durch die heute eingesetzten WLAN- und Wi-Fi-Lösungen, die oft im Bereich von 2,4 GHz arbeiten, können im Innenbereich Beeinflussungen erheblich sein. Je höher die Beeinflussung des Empfängers durch Fremdsignale, desto geringer die Empfindlichkeit, bzw. die Reichweite zwischen zwei Punkten.

Antenne an die Frequenz anpassen

Um ein Funksignal zu senden und zu empfangen ist eine an die Frequenz angepasste Antenne notwendig. Ein guter Kompromiss zwischen Antennenlänge und Wirkungsgrad ist eine /4-Antenne. Die Antenne wird so ausgelegt, dass sie einem Viertel der Wellenlänge entspricht. Bei 2,4 GHz sind das ca. 3,15 cm, bei 868 MHz ca. 8,6 cm. Im 2,4-GHz-Bereich gibt es auch kompakte Chipantennen mit gutem Wirkungsgrad. Bei 868 MHz kann man z. B. eine Helixantenne einsetzen. Eine solche Antenne kann kundenspezifisch entwickelt werden. Der Vorteil ist die geringe Bauhöhe bei einer Drahtlänge von /4. Der Durchmesser kann frei gewählt und auf die Gehäuseabmessungen angepasst werden. Damit sind relative kompakte Lösungen möglich.

Nach eingehender Analyse haben wir uns entschieden, eine proprietäre Lösung basierend auf dem 802.15.4-Protokoll im Bereich von 868 MHz zu entwickeln. An dieser Stelle muss gesagt werden, dass zu diesem Zeitpunkt Bluetooth 5 MESH und Bluetooth 5 Long Range noch keine aktuellen Themen waren und so nicht zur Entscheidungsfindung beitrugen. Eine Lösung basierend auf BLE5 MESH ist aktuell bei uns in der Entwicklung. Erste Ergebnisse erwarten wir in Kürze.

MESH-Netzwerk

Der von uns gewählte Ansatz: Jedes Telegramm, das in das Funknetz gesendet wird, wird von allen Teilnehmern empfangen. Dadurch erreichen wir eine hohe Performance bei minimaler Latenzzeit.

Tree

Die Funkteilnehmer bauen eigenständig ein Netzwerk auf. Es wird dabei mit sogenannten Koordinatoren gearbeitet. Diese senden Telegramme an Teilnehmer weiter, die nicht in Reichweite des Absenders sind. Um die Funknetzbelastung möglichst gering zu halten, werden die Koordinatoren nur dann autonom aktiviert, wenn diese auch notwendig sind. Alle Telegramme zwischen den Koordinatoren werden mit einer Bestätigung versendet. Dies garantiert, dass das Telegramm auch beim letzten Koordinator ankommt.

Alle Teilnehmer hören auf alle Telegramme, auch auf die, die nicht an sie adressiert sind. So reduziert sich die Latenzzeit. Die Telegramme werden zusätzlich über das «Koordinatorgerüst» mit einem Zeitgerüst weitergeleitet. Dadurch entstehen möglichst wenige Kollisionen und die Telegramme kommen auch bei allen Teilnehmern an. Da die Teilnehmer auf alle Telegramme hören, wird eine hohe Zuverlässigkeit des MESH erreicht. Für eine noch höhere Zuverlässigkeit z. B. im Innenbereich, haben wir das System hybrid ausgelegt. Das heisst, einzelne MESH-Netze lassen sich über eine drahtgebundene Datenübertragung untereinander verbinden.

Mit dem beschriebenen proprietären Verfahren konnten wir ein System entwickeln, bei dem sich einfach hunderte von Sensoren bzw. Geräte vernetzen lassen. Wir erreichten mit dem beschriebenen Verfahren ein sehr effizientes System mit minimaler Latenzzeit.

Ausblick

Wie kurz erwähnt könnte Bluetooth 5 MESH im 2,4-GHz-Frequenzband sehr attraktiv werden. Der Vergleich bezüglich Performance wird in den nächsten Wochen erwartet. Bluetooth 5 hat sicherlich den ganz grossen Vorteil, dass sich der Zugriff über jedes handelsübliche Smartphone realisieren lässt. Das Long-Range-Verfahren von Bluetooth 5 sollte dabei helfen die Nachteile der höheren Dämpfung im Innenbereich zu kompensieren.

Fazit

Die Vernetzung von Sensoren und Geräte ist allgegenwärtig. Diese bietet ganz neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle. Es gibt viele Funkstandards, die man einsetzen könnte. Alle mit Ihren Vor- und Nachteilen. Schlussendlich ist es sicherlich das richtige Vorgehen, in einer Konzeptphase die Anforderungen der Applikation und des Systems zu definieren. Anhand dessen kann man den geeignetsten Standard wählen oder auch auf ein einfaches proprietäres System setzen. 

Infoservice

HSi Elektronik AG
Wilerstrasse 73, 9200 Gossau
Tel. 071 845 65 65
kontakt@hsi-ag.ch, www.hsi-ag.ch



Kundenspezifische Helixantenne


Schema des Funknetzes