Batterielose Funktechnologie
Aus der Umgebung gewonnene Energie

Egal ob man auf einen Schalter oder auf eine Türklinke drückt, es wird stets Energie frei. Diese Energie kann intelligent genutzt werden, als Ersatz für Batterien. So entstanden Funksensoren, die ihren Strombedarf aus der Umwelt beziehen: aus Bewegung, Licht oder Temperaturdifferenz. Die aus der Umgebung gewonnene Energie reicht aus, um ein Funksignal zu versenden und so zum Beispiel das Licht einzuschalten. Mit Hilfe intelligenter Software-Stacks kann diese Technologie problemlos und einfach in verschiedenste Applikationen integriert werden.
EnOcean, Entwickler der patentierten ‚batterielosen Funktechnologie‘, mit Sitz in Oberhaching bei München, produziert und vertreibt wartungsfreie Funksensorlösungen für den Einsatz in Gebäuden und Industrieanlagen. Die Lösungen von EnOcean basieren auf miniaturisierten Energiewandlern, äußerst stromsparender Elektronik und zuverlässiger Funktechnik. EnOcean ist einer der Vorreiter auf dem Gebiet der Energy Harvesting-Technologie. Seit 2001 entwickelt das Unternehmen Funkmodule, die nach diesem Prinzip funktionieren. Diese Funkmodule beziehen ihre Energie aus Bewegung, Licht oder Temperaturdifferenz – und ermöglichen so vollkommen energieautarke, wartungsfreie Automatisierungslösungen. Diese sorgen bereits in mehr als 100.000 Gebäuden weltweit für mehr Flexibilität und Energieeffizienz.

Energieautark und wartungsfrei

Das Funksignal von EnOcean verwendet die Frequenzbänder 868MHz und 315MHz und ist daher weltweit einsatzfähig. Die Telegramme sind nur eine Millisekunde lang und werden mit einer Datenübertragungsrate von 125Kilobit pro Sekunde gesendet. Um Sendefehler auszuschließen, wird das Telegramm innerhalb von 30Millisekunden zweimal wiederholt. Da die Datenpakete in zufälligen Intervallen gesendet werden, ist die Kollisionswahrscheinlichkeit sehr gering. Die Reichweite der EnOcean-Funksensoren liegt bei 300 Metern im Freien und bis zu 30 Metern im Gebäudeinneren. Jedes Modul verfügt über eine einmalige 32-Bit-Identifikations­nummer, die Überschneidungen mit anderen Funkschaltern ausschließt. Die neue Dolphin-Systemarchitektur ist eine für Energy Harvesting-Anwendungen optimierte Plattform, mit der erstmals bidirektionale Funksensoren und -aktoren ohne Batterien realisierbar sind.

Wärme als Stromquelle

Mit dem neuen DC/DCWandler ECT 310, der erstmals auf der electronica 2010 vorgestellt wurde, können die batterielosen Funkmodule jetzt auch Wärme als Stromquelle nutzen. Dabei wird Wärme – zum Beispiel an warmen Maschinenteilen, am Heizkörper oder am menschlichen Körper – in elektrischen Strom umgesetzt. Neben Bewegung und Licht erschließt EnOcean damit die dritte Energiequelle für seine wartungsfreien Funkmodule. Das ECT 310 dient als Schnittstelle zwischen thermoelektrischen Wandlern und folgenden Modulen: dem universell einsetzbaren bidirektionalen Sensormodul STM 300 und dem neuen Plug&Play-Modul STM 312.

Viele neue Anwendungsgebiete

Mit der Nutzung von Wärme als Energielieferant eröffnen sich viele weitere Anwendungsmöglichkeiten für die batterielose Funktechnologie, sowohl in der Gebäude- und Industrieautomation als auch in der Medizin. So lassen sich dadurch beispielsweise Heizkostenverteiler, Temperatursensoren, Steuerungstechnik oder auch Sensoren zur präventiven Diagnose überall dort kabellos einsetzen, wo Wärme vorhanden ist.

Schnittstelle unter Spannung

Der ECT 310 ist ein so genannter Ultra-Low-Voltage DC/DC-Wandler, der eine niedrige Eingangsspannung ab 20mV (Millivolt) in von konventioneller Elektronik nutzbare Ausgangsspannung von 3 bis 4Volt umwandelt. Die so gewonnene Energie kann die Funkmodule mit Strom versorgen. Um einen möglichst großen Systemwirkungsgrad zu erzielen, ist die Ausgangsspannung des ECT 310 nur grob reguliert. Dank seiner Plug&Play-Eigenschaften ermöglicht der ECT 310 in Kombination mit einem thermoelektrischen Wandler sowie den Energy Harvesting-Funkmodulen STM 300 oder STM 312 die einfache Umsetzung von batterielosen Sensoren oder Aktoren, die über Wärme betrieben werden können.

Universelles Energy Harvesting-Interface

Das bidirektionale STM 300 ist Teil der Dolphin-Plattform von En-Ocean und kann Funksignale sowohl senden als auch empfangen. Das Modul verfügt über ein universelles Energy Harvesting-Interface und kann mit einem Kurzzeit-Energiespeicher oder wahlweise auch mit einem zusätzlichen Langzeit-Energiespeicher ausgestattet werden. Durch diese Flexibilität in der Energiespeicherung lassen sich in Verbindung mit dem neuen Wandler ECT 310 zahlreiche verschiedene wärmebetriebene, batterielose Funksensoren und -aktoren realisieren, die auch in Umgebungen mit schwankenden Temperaturen zuverlässig funktionieren. Ist genug Wärme vorhanden, reicht ein kleiner Energiespeicher, um das Modul ausreichend mit Strom zu versorgen. Herrschen dagegen zeitweise zu wenige Temperaturunterschiede, überbrückt der größere Speicher diese Periode. Die Steuerung der Speicher erfolgt dabei automatisiert über einen digitalen Ausgang vom STM 300-Modul. Diese Kombination eignet sich besonders für temperaturversorgte bidirektionale Sensoren und Aktoren – beispielsweise Anlagensensoren, die Rückdaten oder Steuerparameter von einer Zentrale benötigen, oder Aktoren zur Steuerung der Wärmeverteilung.

Zwei integrierte Speicher

Im Gegensatz zum STM 300 verfügt das Funksensormodul STM 312 bereits über zwei integrierte Energiespeicher, eine vorinstallierte Antenne und einen Stecker zum Anschluss eines Sensorelements. Gerätehersteller können den ECT 310 und das Thermoelement direkt auf das STM 312 anlöten, was besonders kompakte Bauweisen bei geringstem Entwicklungsaufwand ermöglicht. Deshalb eignet sich diese Kombination sehr gut für Sensoren, die in dunklen Bereichen angebracht werden – wie etwa Anlegefühler in abgehängten Decken oder in Kellerräumen. Beide STM-Module sind sowohl in 868MHz als auch in 315MHz verfügbar und so weltweit einsetzbar.

Developer-Kit

Für Entwickler wird EnOcean den ECT 310 als Teil des Developer-Kits EDK 312 anbieten, das eine Erweiterung des EDK 300 darstellt. Zusammen mit den in den beiden Kits mitgelieferten Funkmodulen STM 300 und STM 312, einem thermoelektrischen Wandler und umfassender Dokumentation sind Hersteller in der Lage, in kürzester Zeit eigene wärmebetriebene, batterielose Applikationen für die Gebäude- und Industrieautomation oder andere Anwendungsgebiete zu entwickeln. „Temperaturunterschiede gibt es in zahlreichen Umgebungen: in der Produktion und Fertigung, in beheizten oder klimatisierten Gebäuden, durch Sonneneinstrahlung, an Motoren oder sogar am Menschen selbst. Damit ist Wärme die ideale zusätzliche Energiequelle für unsere batterielosen Funkmodule“, sagt Armin Anders, Leiter Produktmanagement und Mitgründer von En-Ocean. „Mit dem ECT 310 lassen sich unsere kabellosen Funklösungen überall dort einsetzen, wo ein Temperaturunterschied zumindest zeitweise von wenigstens 2°C vorhanden ist. Dadurch versprechen wir uns eine noch rasantere Weiterentwicklung auf dem Gebiet der energieeffizienten Automation und der batterielosen Funksensorik.“

Neues Modul STM 312

Neu sind auch die Sensormodule der STM 310-Reihe. Alle Varianten der neuen Modulfamilie (STM 310, STM 320 und STM 330) basieren auf dem Dolphin-Chip, verfügen über eine Energiewandler-Schnittstelle und werden mit einer vorinstallierten Solarzelle angeboten.

Mit vorinstallierter Solarzelle

Das Modul STM 312 kann zudem alternativ mit einem Thermowandler betrieben werden. Dadurch sind die neuen Module bei ihrer Auslieferung einsatzbereit und können sofort in verschiedenste Produkte integriert werden. Die neuen Plug&Play-Module verfügen über einen Funksender mit Antenne, über interne Sensoren oder einen externen Sensoranschluss sowie über eine integrierte Ladeschaltung mit dem Energiespeicher. Der interne Energiespeicher versorgt die Module mit Energie in der Zeit, in der keine Umweltenergie vorhanden ist. Sie sind sowohl in 868MHz als auch in 315MHz verfügbar. Dank des modularen Konzeptes lassen sich mit den neuen Modulen umfassende energieautarke Anwendungen realisieren – wie beispielsweise Fensterkontakte, Temperatur- und Feuchtesensoren oder Licht-, Druck- und Gassensoren.

Energieautarke Anwendungen

„Mit der neuen Serie bieten wir unseren OEM-Partnern eine vielseitig einsetzbare Plattform, auf der sich verschiedenste batterielose Sensoranwendungen entwickeln lassen. Dank der mitgelieferten Solarzelle oder des internen Temperatursensors reduzieren sich die Produktionskosten für beispielsweise Raumsensorgeräte wesentlich“, sagt Armin Anders. „Dadurch können jetzt noch schneller energieeffiziente Lösungen für die Gebäudeautomation realisiert werden.“