Offenes Protokoll für Energy Harvesting-Funklösungen

Energie aus der Umwelt

Funksysteme bieten im Vergleich zu drahtgebundenen Systemen höhere Flexibilität und mehr Komfort in der Gebäude- oder auch Industrieautomation. Inzwischen existieren unterschiedliche Systeme, die auf verschiedenen Standards basieren. Immer häufiger stehen deshalb Systemintegratoren, Elektroplaner und Produktdesigner vor der Wahl eines dem Bedarf entsprechenden Systems. Doch nun hat die International Electrotechnical Commission (IEC) mit ISO/IEC 14543-3-10 einen neuen Funkstandard ratifiziert. Das Besondere: Der Funkstandard sieht einen extrem niedrigen Energieverbrauch vor und eignet sich damit für Energy Harvesting-Anwendungen.
Energy Harvesting hat bereits vor einigen Jahren den Sprung in den Alltag geschafft. Inzwischen kommen energieautarke Funksysteme in Gebäuden, Industrieanlagen und anderen Bereichen zum Einsatz. Die batterielosen Funkmodule gewinnen ihre Energie aus der Umgebung – aus Bewegung, Licht oder Temperaturdifferenzen. Die so erhaltenen geringen Energiemengen reichen aus, um ein Funksignal zu übertragen. Dabei sind die gesendeten Telegramme besonders kurz. Ein Haupteinsatzgebiete der Energy Harvesting-Funktechnologie ist die Gebäude- oder Heimautomation. Denn die meisten Automatisierungsfunktionen im Gebäude erfordern lediglich kurzzeitige Übertragungen von jeweils wenigen Informationen. Dazu gehören das Schalten von Licht und Geräten, die Bedienung von Jalousien und vor allem die Übertragung der Informationen von Funksensoren wie Klima-, Positions- oder CO2-Sensoren. Alle diese Anwendungen erfordern ein Funkprotokoll, das mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch arbeitet. Beispielsweise lassen sich mit den batterielosen Funkmodulen der Firma EnOcean vollkommen energieautarke Anwendungen für die Gebäude- und Industrieautomation sowie weitere Einsatzgebiete realisieren. Um Sendefehler und Datenkollisionen auszuschließen beziehungsweise möglichst gering zu halten, wird das kurze Telegramm zufallsgesteuert innerhalb von etwa 40 Millisekunden zweimal wiederholt. So lassen sich problemlos zahlreiche Funkschalter und -sensoren auf engstem Raum installieren und parallel betreiben.

Interoperabilität der ­Produkte

Eine der wichtigsten Anforderungen für zuverlässige und kosteneffiziente Gesamtsysteme ist die Interoperabilität der Produkte verschiedener Hersteller. Automatisierung benötigt deshalb standardisierte Technologien. Auf Basis der batterielosen Funktechnologie hat die EnOcean Alliance, eine unabhängige Organisation weltweit tätiger Unternehmen zur Etablierung moderner Automationslösungen für energieeffiziente Gebäudeprojekte, standardisierte Sensorprofile entwickelt. Dadurch können beispielsweise Sensoren eines Herstellers mit Empfängern eines anderen Herstellers in einem Ökosystem kommunizieren. Diese Prinzipien sind im neuen Funkstandard ISO/IEC 14543-3-10 verankert. Er bietet ein Drahtlosprotokoll für kurze Datenpakete (WSP), optimiert für Energy Harvesting-Architekturen und untere Protokollebenen. Im Vergleich zu anderen Standards ist das Protokoll speziell für Lösungen mit einem besonders niedrigen Energieverbrauch ausgelegt. Möglich wird dies durch die mehrfache Übertragung sehr kurzer Funktelegramme sowie durch die Nutzung eines zuverlässigen Frequenzbandes, das Interferenzen vermeidet. Das Ergebnis ist eine stabile, besonders energiesparende Funkkommunikation, die den Einsatz von kleinen, kosteneffizienten und wartungsfreien Energiewandlern erlaubt.

Frequenz unter einem ­Gigahertz

Der Standard verwendet die Frequenzbänder 868 MHz und 315 MHz für Anwendungen weltweit. Durch die Nutzung eines weniger belasteten Frequenzbands als beispielsweise 2,4 GHz bietet er eine höhere Übertragungssicherheit gegen andere Funksender bei gleichzeitig schneller Systemreaktionszeit. Für eine flächendeckende und zuverlässige Gebäudeautomation sind deshalb das 868-MHz- beziehungsweise 315-MHz-Band besser geeignet. Die Funkwellen unter einem GHz zeichnen sich zudem durch deutlich niedrigere Dispersionsverluste durch Wände aus und erreichen ungefähr die doppelte Reichweite bei gleicher Sendeleistung wie ein Funksystem mit einer Frequenz bei 2,4 GHz. Deshalb benötigt ein 2,4-GHz-System in der Fläche etwa viermal mehr Empfangsknoten und ist damit kostenintensiver und aufwändiger. Die minimale Telegrammlänge des ISO/IEC-Standards beträgt 0,7 Millisekunden bei einer Datenrate von 125 Kilobit pro Sekunde. Dabei liegt die Reichweite von Standard-basierten Sensoren bei 30 Metern im Gebäudeinneren und 300 Metern im Freifeld. Der Standard ähnelt den meisten bestehenden Funkstandards. Basierend auf den standardisierten Protokoll-Ebenen Physical und Data Link definieren Technologie-Allianzen die oberen Schichten in den Protokoll-Stacks für die Interoperabilität der Produkte. Dies ist beispielsweise der Fall bei Bluetooth und IEEE 802.15.1, Wireless HART/ZigBee/RF4CE und IEEE 802.15.4 sowie dem WLAN-Standard 802.11. Der ISO/IEC-Standard deckt sogar die Schichten 1 bis 3 des Open Systems Interconnection-Modells (OSI) ab und umfasst damit den Physical, Data Link und den Networking Layer. Dies erleichtert die Entwicklung Standard-basierter Produkte. Die Applikationsebene decken die Anwendungsprofile EnOcean Equipment Profiles (EEPs) der EnOcean Alliance ab und schaffen damit die Voraussetzungen für eine vollständig interoperable, offene Funktechnologie.

Möglichkeiten des Standards

Der Standard steht online auf der Webseite der International Organization for Standardization (ISO) zum Download zur Verfügung, sodass OEMs auf dessen Basis jetzt Produkte entwickeln können, die diesen Funkstandard unterstützen, beispielsweise Funkempfänger oder -sensoren. Aktuell existieren bereits 850 Produkte von Mitgliedern der EnOcean Alliance, die dem neuen Standard entsprechen. Dadurch profitieren Entwickler und Hersteller von einer umfassenden Praxiserfahrung sowie von einer großen Produkt- und Installationsbasis. Ein Beispiel für ein Standard-basiertes Produkt ist der energieautarke Funk-Kleinstellantrieb MD10-FtL-HE der Firma Kieback&Peter, der Wärme als Energiequelle nutzt. Dabei wandelt ein so genannter Ultra-Low-Voltage DC/DC-Wandler eine niedrige Eingangsspannung ab 20mV in nutzbare Ausgangsspannung von drei bis vier Volt um. Als Energiequelle dient allein die Warmwasserbeheizung der Heizkörper. Zusätzlich ausgestattet mit einem Energiespeicher und einem intelligenten Energiespeichermanagement ist der Klein-stellantrieb aufgrund von Energy Harvesting unabhängig von Verkabelung oder Batterie und somit absolut wartungsfrei. Anwendern gestattet die Lösung, den Funk-Kleinstellantrieb genauso zu bedienen wie ein gewöhnliches Heizkörper-Thermostatventil. Über das standardisierte Protokoll kann der Kleinstellantrieb zudem mit anderen Geräten kommunizieren, z.B. externen Funk-Regelgeräten oder -Bediengeräten, und so als Teil einer zentralen Steuerung ein Wochenprogramm abbilden. Aber auch eine situationsabhängige Regelung ist möglich: Ist ein Fenster geöffnet, geht ein Funksignal an den Kleinstellantrieb, der daraufhin die Wärmezufuhr der Heizung automatisch temporär unterbricht.

Anwendungsmöglichkeiten in intelligenten Produkten

Ob Neubau oder Gebäudesanierung: Bei der Erschließung von Energiesparpotenzialen sowie für einen erhöhten Komfort und mehr Sicherheit spielen wartungsfreie Funksensoren und -schalter eine wichtige Rolle. Die Kombination aus batterielosen Funkmodulen und einem Funkprotokoll für einen besonders niedrigen Energieverbrauch bietet die Basis für wartungsfreie, flexible Sensoren, die Zeit und Kosten bei der Installation sparen. Der ISO/IEC-Standard wird die Entwicklung und den Einsatz von batterielosen Funklösungen und Sensornetzwerken weiter vorantreiben. Daraus ergeben sich auch neue Impulse für die Entwicklung noch effizienterer Energy Harvesting-Komponenten, die verschiedene Energiequellen nutzen. Neben dem bereits etablierten Markt für Haus- und Gebäudetechnik reichen weitere Anwendungsmöglichkeiten von Smart Home, Smart Metering und Smart Grid bis hin zu Lösungen für Industrie, Logistik oder Transport.