Fachartikel EHS – Protokolle | Frequenzen | Reichweiten | Datenrate

Dieses Kommunikationsmedium reicht von der kabellosen Datenübermittlung über lange Distanzen mittels herkömmlicher LTE und zukünftiger 5G Technologie, bis hin zu kurzen Distanzen über Meshnetzwerke. Nahezu jede innovative und smarte Anwendung profitiert von der Funktechnologie, die kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert wird. Zahlreiche Unternehmen haben es sich zur Aufgabe gemacht smarte Sensoren und energieeffiziente Aktoren zu entwickeln. Ein Beispiel dafür ist der „Energy Harvesting Switch“ (EHS) von ZF. Neben diesen Hardwarekomponenten werden auch diverse Funkprotokolle angeboten, die den Datenaustausch überhaupt erst ermöglichen. Je nach Anwendung haben sich verschiedene Funkprotokolle am Markt etabliert, die verschiedene Eigenschaften und somit auch Vor- und Nachteile aufweisen. Innerhalb dieses Artikels sollen die wichtigsten Design-Parameter und deren Zusammenhänge am Beispiel des energieautarken und kabellosen Funkschalter von ZF aufgezeigt werden.

Gegenüberstellung: Weitreichende vs. kurzreichende Funkfrequenzen

Die Datenübermittlung über lange Distanzen erfolgt über LTE und zukünftig über die 5G Technologie. Aufgrund der großen Reichweite von 1 bis zu 10 Kilometern und aufgrund der hohen Datenrate von 100.000 kByte/s (LTE) bis zu 2.000.000 kByte/s (5G) findet diese Funktechnologie ein breites Spektrum an Anwendungen. Dazu zählen unter anderem die Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation, fahrerlose Transportsysteme, das Arbeiten mit Drohnen, autonomes Fahren und Virtual/Augmented Reality. Der Vorteil dieser Funk-Technologie ist, dass sehr große Datenmengen über große Reichweiten übertragen werden können.

Meshnetzwerke haben im Vergleich zu 5G eine geringere Reichweite von 10 Metern im Gebäude und bis zu 500 Metern im Freien. Auch die Datenrate ist wesentlich geringer mit 0,5 bis zu 100 kByte/s. Im Gegensatz zu LTE oder 5G fallen jedoch keine Gebühren für die Übertragung an und der Energieverbrauch ist wesentlich geringer. Meshnetzwerke werden deshalb vor allem im Bereich Smart-Home für das Gebäudemanagement, Lichtsteuerung und für Monitoring eingesetzt. Ein wesentliches Merkmal von Meshnetzwerken ist deren dezentrale Architektur. Durch die Vermaschung von Sensoren und Aktoren existieren mehrere Verbindungswege, um eine Information von einer Quelle zu einem Ziel zu übertragen. Dadurch wird nicht nur die Übertragungsreichweite, sondern auch die Übertragungssicherheit verbessert.

Energy Harvesting Switch – eine elegante Funklösung für die Gebäudeautomation

Der energieautarke Funkschalter von ZF ist eine batteriefreie Alternative zur Auslösung von Aktionen innerhalb einer kabellosen Infrastruktur eines Meshnetzwerks aber auch für Point-to-Point Kommunikation. Außergewöhnlich ist hierbei die „Energy Harvesting“ Technologie des Schalters. Allein die mechanische Betätigungsenergie durch das Drücken des Schalters reicht aus, um ein zuverlässiges und mehrfach redundantes Funksignal auszusenden. Das Funksignal beinhaltet alle wesentlichen Informationen, die für die Kommunikation zwischen ausgewählten Geräten notwendig ist. Für die Datenkommunikation haben sich verschiedene Protokoll-Typen auf dem Markt durchgesetzt. Diese reichen von W-Lan, WIFI und Bluetooth über ZigBee und KNX RF bis hin zu EnOcean und Z-Wave. Der Grund für diese Vielzahl an verschiedenen Protokollen beruht darauf, dass jedes Protokoll andere Eigenschaften aufweist. Je nach Anwendung und Endgerät sind die unterschiedlichen Protokolle mit ihren spezifischen Eigenschaften mehr oder weniger gut geeignet, sodass jedes von ihnen ihre Daseinsberechtigung hat. Der Energy Harvesting Switch (EHS) von ZF kann universell eingesetzt werden. Er unterstützt bereits bekannte Protokollstandards wie KNX RF, Bluetooth, EnOcean und ZigBee.

Bislang ist der EHS von ZF auch der einzige Funkschalter, der batterielos ein KNX RF Telegramm verschicken kann. Um ein Bluetooth Telegramm mehrfach redundant (>7) und ohne zusätzliche Energiequelle zu versenden, verwendet ZF den Microchip von On Semiconductor. Dieser Chip eignet sich bestens für diese Anwendung, aufgrund des besonders niedrigen Energieverbrauchs. Somit kann der Schalter flexibel in nahezu jedes System eingebunden werden – ob Smart Home, für Industrie-Applikationen oder im Bereich Micromobility/E-Bikes.

Funktionsweise & Designparameter des ZF Energy Harvesting Switches

Jedes Standardprotokoll hat ein festgelegtes Frequenzband worüber Informationen ausgetauscht und übermittelt werden. Bevor eine neue Funkanwendung wie der EHS mit entsprechendem Protokoll entwickelt werden kann, muss im Vorfeld ein Zielmarkt definiert werden. Denn jede Region hat seine eigenen Zulassungen mit Aussage über nutzbare Frequenzbereiche. So sind in den USA andere Frequenzbereiche zugelassen als beispielsweise in Europa oder Asien. Außerdem werden je nach Industrie andere Protokollarten aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften bevorzugt. Besonders in der Gebäudeautomation hat sich beispielsweise KNX RF mit 868 MHz Frequenz in Europa durchgesetzt, aufgrund der besonders guten Durchdringung von Wänden und Hindernissen.

Die festgelegte Frequenz beeinflusst nicht nur die benötigte Energiemenge zum Senden von Telegrammen, sondern auch die Funk-Reichweite und die Auslegung der Antenne. Somit beeinflusst das gewählte Protokoll maßgeblich die Entwicklungsarbeit für den Energiewandler, das geforderte Energiemanagement und die Funktechnologie eines EHS.

Damit der energieautarke Funkschalter universell eingesetzt werden kann, muss dieser mit den wichtigsten Standardprotokollen, die sich derzeit am Markt befinden, kompatibel sein. Das heißt der Schalter muss eine bestimmte Mindest-Energiemenge aufbringen, damit ein Funksignal innerhalb eines bestimmten Routingprotokolls gesendet werden kann. Das Protokoll ist sozusagen die Sprache, mit der verschiedene Geräte in einem System kommunizieren. Die Informationen werden über ein Telegramm in der jeweiligen Sprache übermittelt. Die Telegrammlänge ist von Protokoll zu Protokoll unterschiedlich. Als Faustformel gilt: Je länger das Telegramm, desto mehr Energie wird benötigt.

Ein weiterer Parameter ist die Datenrate (Anzahl an übertragenen Bits pro Sekunde), welche durch das Protokoll definiert wird. Je höher der Frequenzbereich desto höher die Datenrate. Die Telegrammlänge und die Datenrate beeinflussen wiederum die Datenübertragungszeit für ein Telegramm von dem Sender zum Empfänger.

Frequenzbereiche

Jedes Funkprotokoll operiert auf einem bestimmten Frequenzbereich. Als ISM-Bänder (Industrial-Scientific-Medical-Bänder) werden diejenigen Frequenzbereiche bezeichnet, die lizenz- und genehmigungsfrei genutzt werden können. Die VO Funk (Vollzugsordnung für den Funkdienst) regelt international im Rahmen des Völkerrechts Funkdienste und die Funkfrequenznutzung. Nach der VO Funk sind folgende Frequenzbereiche weltweit als ISM-Bänder ausgewiesen:

Typ A: Frequenzen bedürfen einer Genehmigung der jeweils regionalen Autoritäten.

Typ B: Frei verfügbare Frequenzbereiche für festgelegte Regionen.

Neben den ISM-Band gibt es noch weitere Frequenzbereiche die exklusiv für bestimmte Regionen reserviert sind und rechtlich anders gestellt sind. Das SRD-Band von 863 bis 870 MHz ist beispielsweise für Europa und auch für Asien zur Nutzung verfügbar. Weltweit betrachtet werden am häufigsten diejenigen Geräte angeboten, die entweder auf 433 MHz (ISM-Band Region 1), 868 MHz (SRD-Band Europa und Asien) oder 915 MHz (ISM-Band Region 2) arbeiten.

Der Frequenzbereich 2,4 GHz wird weltweit als Standard verwendet, ist weltweit lizenzfrei nutzbar und der meistgenutzte Frequenzbereich überhaupt. Das bedeutet, dass sich in diesem Frequenzbereich viele Funknetze bewegen, unter anderem das W-LAN/WIFI, ZigBee und Bluetooth. Die größte Anzahl an Geräten weltweit kommunizieren mit diesen Protokollen. Die Geschwindigkeit und Stabilität eines Funknetzwerks hängt maßgeblich von der Intensität der Nutzung anderer Funktechniken im gleichen Frequenzband ab, sodass hier die Störanfälligkeit besonders hoch ist.

In Europa wird nach Empfehlung der CEPT das ISM Band 868 MHz verwendet, ebenso in Asien. Im Bereich Smart Home operiert das bekannteste Protokoll KNX auf diesem Frequenzband. Weitere Standardprotokolle wie EnOcean und Z-Wave setzen ebenfalls auf diesen Frequenzbereich, aufgrund wesentlicher Vorteile wie die geringere Störanfälligkeit, höhere Übertragungsreichweite und bessere Durchdringung von Hindernissen.

Für Amerika wurde das ISM-Band 915 MHz zur Verfügung gestellt. Standardprotokolle wie EnOcean, und Z-Wave arbeiten auf diesem Frequenzbereich.

Standardprotokolle

Aktuell befinden sich eine Menge verschiedener Standardprotokolle auf dem Markt. Besonders der Bereich Smart Home ist ein interessanter Industriebereich, der sich ständig im Wandel befindet und eine Vielzahl an unterschiedlichen Protokollen aufweist. Viele Unternehmen bringen innovative Produkte auf den Markt und bieten eigene proprietäre Funkprotokolle an, um die Kunden an ihre Produkte zu binden. Außerdem ist das Thema Stromverbrauch ein aktuelles Thema mit dem Ziel möglichst wenig Strom zu verbrauchen. Dieses Ziel verfolgt auch der Energieautarke Funkschalter ohne zusätzliche Energiequelle. Das heißt aber auch, dass er nur in einem unidirektionalen Kommunikationssystem eingesetzt werden kann. Unidirektional bedeutet, dass der Schalter nur bei Bedarf sendet, aber kein Empfangsmodul besitzt – er funktioniert also als reiner Funksender. Bei dem Funkprotokoll Z-Wave handelt es sich beispielsweise um eine bidirektionale, drahtlose Kommunikationstechnik. Der Sender erhält vom Empfänger jedes Mal eine Empfangsbestätigung, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit der Übertragung führt. Jedoch braucht der Sender dazu eine konstante und zusätzliche Stromversorgung zur Signalerkennung.

Je nach Anforderung müssen größere oder kleinere Datenmengen übertragen werden. Auch das Thema Übertragungssicherheit und Reichweite beeinflusst die Auswahl geeigneter Funkprotokolle. Im Folgenden werden die Standardprotokolle vorgestellt, die mit den Zielvorgaben von ZF im Einklang stehen und mit dem EHS realisiert werden können:

KNX RF

KNX RF ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, welches für Smart Home und Gebäudeautomation eingesetzt wird. Der KNX Verband hat mehr als 80.000 Partner in 190 Ländern.

Ein Vorteil von KNX RF ist die vollständige Kompatibilität mit dem bekannten KNX TP (Twisted Pair) System. Dabei handelt es sich um ein 24V BUS System, welches mit über 9.600 Bit/s, Daten von verschiedenen Sensoren und Aktoren über Kabelleitungen austauscht.

Bluetooth

In der ursprünglichen Form diente Bluetooth überwiegend der Anbindung von Headsets, Kopfhörern, Lautsprechern und Autoradios. Es handelt sich dabei um die Übertragung kontinuierlicher Datenströme, wie Audio, Musik oder Telefonie.

Bluetooth ab den Versionen 4.0 wird auch als Bluetooth Low Energy (BLE) bezeichnet. Es handelt sich hierbei um eine sehr stromsparende Variante von Bluetooth. Dadurch ergeben sich zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Sport, Medizin, Unterhaltungselektronik, Heimautomation und Autoelektronik. Der große Vorteil von Bluetooth ist die Kompatibilität zu zahlreichen Endgeräten von verschiedenen Konzernen und Industriebereichen.

Mit der Einführung von Bluetooth 5.0 verdoppelte sich die Geschwindigkeit des Datenaustausches, vervierfachte sich die Reichweite und verachtfachte sich die Übertragungskapazität im Gegensatz zu der 4.0 Version. Einen weiteren Vorteil bietet der Mesh-Betrieb, bei dem jedes Bluetooth-Gerät Daten von Nachbargeräten weiterleiten kann, um die Reichweite zusätzlich zu erhöhen. Außerdem können durch intelligente Frequenzsprünge mit bis zu 1.600 Sprüngen pro Sekunde auf freie Kanäle gewechselt werden. Dadurch verringert sich das Risiko immens, dass Signale durch überbelegte Frequenzen gestört werden.

EnOcean

Das EnOcean Funkprotokoll wird hauptsächlich in der Heimautomation eingesetzt mit dem Fokus auf energieautarke Technologien. Im Jahr 2012 wurde es als internationaler Standard ISO/IEC 14543-3-10 ratifiziert.

ZigBee

ZigBee ist ein globales Standardprotokoll und stellt ein Meshnetzwerk für die Gerätekommunikation in Gebäuden dar. Die Verbreitung von ZigBee ist jedoch begrenzt. Ein Grund dafür ist, dass viele Geräte trotz Zertifizierung nicht mit den Geräten anderer Hersteller zusammenarbeiten können. Viele Hersteller versuchen sich von der Konkurrenz abzuheben und bieten eigene proprietäre Funktionen und Protokolle an. Die ZigBee-Standards werden dadurch umfangreicher und können Endgeräte nicht mehr vollumfänglich unterstützen.

Reichweite

Die Reichweite eines Signals wird einerseits von der Wellenlänge einer Frequenz und andererseits von der Signalstärke beeinflusst. Im Allgemeinen gilt bei konstanter Signalstärke: Je höher die Frequenz, desto niedriger die Reichweite und umgekehrt. Im Freien beträgt die mögliche Reichweite von Funksignalen basierend auf einer 868 MHz Frequenz 300 Meter (bezogen auf ZF Produkte). Es gibt aber auch Funksignale, die weitaus größere Distanzen in diesem Frequenzbereich zurücklegen können. Als genereller Richtwert für Funksignale basierend auf 2,4 GHz kann von einer Reichweite von 100 Meter ausgegangen werden.

In Gebäuden werden die Signale jedoch durch Hindernisse gestört, sodass die Reichweite massiv verringert wird. Die Beeinträchtigung der Signalstärke ist abhängig von dem Material und der Dicke der Hindernisse, sowie der Anbringung und Ausrichtung des Sensors und Empfängers innerhalb des Gebäudes. Metall und Beton beispielsweise haben eine sehr hohe Dämpfung, wohingegen Glas und Holz eine geringe Dämpfung aufweisen. Erzeugt der EHS von ZF ein Bluetooth-Signal mit einer Sendeleistung von 0,33 mWs, so kann das Signal innerhalb eines Gebäudes bei 0 dBm bis zu 10 Meter zurücklegen. Generell können niedrigere Frequenzen Türen, Wände und Decken besser durchdringen.

Telegrammlänge und Aufbau

Der Aufbau und die Länge eines Telegramms werden durch das Protokoll vorgegeben. So beträgt die Telegrammlänge bei KNX RF 35 Bytes, bei ZigBee 21 Bytes, bei EnOcean 14 Bytes. In der Regel gilt, je länger das Telegramm desto höher die benötigte Energie für das Versenden des Telegramms.

Datenrate und Datenübertragungszeit

Die Datenrate wird über die Protokollart definiert. Sie gibt an wie viele Kbit pro Sekunde übertragen wird von einem Sender zu einem Empfänger. Im Allgemeinen gilt je höher der Frequenzbereich, desto höher die Datenrate. Vor allem bei der Übermittlung von großen Datenmengen wie beispielsweise bei Audio-Streamingdiensten, spielt die Datenrate eine bedeutsame Rolle. Deswegen hat sich in diesem Bereich besonders die W-Lan Funktechnologie von den anderen abgehoben.

Für den EHS von ZF spielt vor allem die Datenübertragungszeit eine wesentliche Rolle. Diese setzt sich zusammen aus Datenrate und Telegrammlänge. Je länger das Telegramm und je kleiner die Datenrate, desto länger dauert es bis alle Daten von dem Sender rausgeschickt werden. Das heißt im Umkehrschluss, dass der Funkschalter die mechanische Betätigungsenergie in eine elektronische Form umwandeln, speichern und in gedrosselter Form abgeben muss, solange bis das Signal ausgegeben wurde. Um die Übertragungssicherheit zu gewährleisten sollte das gleiche Telegramm mehr als drei Mal versendet werden.

Fazit

Vor allem in den Bereichen Building Automation & Smart Home sowie in der Kommunikation von Industrieanwendungen gibt es verschiedene Protokollarten, die je nach Anwendung Vor- und Nachteile aufweisen. Somit müssen im ersten Schritt vor der Installation eines Funk-Netzwerks spezifische Anforderungen identifiziert und formuliert werden. Die Eigenschaften der Protokolle werden stark von der zugrundeliegenden Frequenz bestimmt. Wesentliche Kriterien für die Protokoll Auswahl sind die Übertragungssicherheit und Reichweite. Durch innovative Lösungen wie Frequenzsprünge in überlasteten Frequenzbändern, Reichweitenverlängerung durch intelligente Meshnetzwerke und Reduzierung des Energieverbrauchs durch energieautarke Funkschalter versuchen Hersteller die Systeme kontinuierlich zu optimieren. Die Weiterentwicklung der Funktechnologie trägt auch dazu bei, weitere Anwendungsbereiche zu erschließen, um beispielsweise in Zukunft das autonome Fahren mit 5G zu ermöglichen, E-Bike Systeme mit Bluetooth intelligenter zu machen oder durch integrierte Funksensoren freie Parkplätze zu identifizieren.