Funkprotokolle für die Gebäudeautomation
Frequenzen, Reichweiten, Datenrate
Aufgrund der zunehmenden Vernetzung nimmt die Bedeutung der Funktechnologie kontinuierlich zu. So wuchs die Funktechnologie 2018 gegenüber zum Vorjahr um 32 Prozent. Dieses Kommunikationsmedium reicht von der kabellosen Datenübermittlung über lange Distanzen mittels LTE und zukünftiger 5G-Technologie, bis hin zu kurzen Distanzen über Meshnetzwerke. Nahezu jede smarte Anwendung profitiert von der Funktechnologie, die kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert wird. Anhand des Energy Harvesting Switch (EHS) von ZF lassen sich Vor- und Nachteile der verschiedenen Protokolle verdeutlichen.
Bild: ZF Friedrichshafen AGZahlreiche 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 Protokolle etabliert, die Vor- und Nachteile aufweisen.
Bild: ZF Friedrichshafen AGWeit- vs. kurzreichende Frequenzen
Die Datenübermittlung über lange Distanzen erfolgt über LTE und zukünftig über 5G. Aufgrund der großen Reichweite von 1 bis zu 10km und der hohen Datenrate von bis zu 2.000.000kByte/s (5G) findet diese Funktechnologie ein breites Spektrum an Anwendungen. Dazu zählen u.a. die Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation, fahrerlose Transportsysteme, das Arbeiten mit Drohnen und Virtual/Augmented Reality. Der Vorteil der Funk-Technologie ist, dass sehr große Datenmengen über große Reichweiten übertragen werden können. Meshnetzwerke haben im Vergleich zu 5G eine geringere Reichweite von 10m im Gebäude und bis zu 500m im Freien. Auch die Datenrate ist wesentlich geringer mit 0,5 bis zu 100kByte/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 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 auch die Übertragungssicherheit verbessert.
Bild: ZF Friedrichshafen AGFunklösung für 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. Besonders ist hierbei die Energy-Harvesting-Technologie. Die mechanische Betätigungsenergie durch das Drücken des Schalters reicht aus, um ein mehrfach redundantes Funksignal auszusenden. Dieses 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 WLAN, WIFI und Bluetooth über ZigBee und KNX RF bis hin zu EnOcean und Z-Wave. Der Grund für die 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. Der EHS unterstützt bereits bekannte Protokollstandards wie KNX RF, Bluetooth, EnOcean und ZigBee. 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
Jedes Standardprotokoll hat ein festgelegtes Frequenzband worüber Informationen ausgetauscht und übermittelt werden. Bevor eine neue Funkanwendung 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 z.B. in Europa. Außerdem werden je nach Industrie andere Protokollarten bevorzugt. Besonders in der Gebäudeautomation hat sich z.B. KNX RF mit 868MHz in Europa durchgesetzt. Die festgelegte Frequenz beeinflusst nicht nur die benötigte Energiemenge zum Senden von Telegrammen, sondern auch die 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 Funkschalter universell eingesetzt werden kann, muss dieser mit den wichtigsten Standardprotokollen kompatibel sein. Das heißt der Schalter muss eine bestimmte Mindest-Energiemenge aufbringen, damit ein Funksignal innerhalb eines bestimmten Routingprotokolls gesendet werden kann. Die Informationen werden über ein Telegramm in der jeweiligen Sprache übermittelt. Als Faustformel gilt: Je länger das Telegramm, desto mehr Energie wird benötigt. Ein weiterer Parameter ist die Datenrate, 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.
Bild: ZF Friedrichshafen AGFrequenzbereiche
Jedes Funkprotokoll operiert auf einem bestimmten Frequenzbereich. Als ISM-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. Neben dem 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 870MHz ist z.B. für Europa und auch für Asien zur Nutzung verfügbar. Weltweit betrachtet werden am häufigsten diejenigen Geräte angeboten, die entweder auf 433MHz (ISM-Band Region 1), 868MHz (SRD-Band Europa und Asien) oder 915MHz (ISM-Band Region 2) arbeiten. Der Frequenzbereich 2,4GHz wird weltweit als Standard verwendet, ist weltweit lizenzfrei nutzbar und der meistgenutzte Frequenzbereich überhaupt. Das bedeutet, dass sich in diesem Frequenzbereich viele Funknetze bewegen, u.a. das WLAN/WIFI, ZigBee und Bluetooth. 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 868MHz verwendet. 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.
Standardprotokolle
Aktuell befinden sich verschiedene Standardprotokolle auf dem Markt. Außerdem ist sparsamer Stromverbrauch ein aktuelles Thema. Das Ziel verfolgt auch der Funkschalter ohne zusätzliche Energiequelle. Das heißt aber auch, dass er nur in einem unidirektionalen Kommunikationssystem eingesetzt werden kann. Unidirektional bedeutet, dass der Schalter nur nach Betätigung sendet, aber kein Empfangsmodul besitzt. Bei dem Funkprotokoll Z-Wave handelt es sich z.B. um eine bidirektionale Kommunikationstechnik, da der Sender jedes Mal eine Empfangsbestätigung erhält. Dazu braucht der Sender eine konstante Stromversorgung. Je nach Anforderung müssen größere oder kleinere Datenmengen übertragen werden. Auch das Thema Übertragungssicherheit und Reichweite beeinflusst die Auswahl geeigneter Funkprotokolle.
- • KNX RF ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, welches für Gebäudeautomation eingesetzt wird. Ein Vorteil von KNX RF ist die vollständige Kompatibilität mit dem bekannten KNX TP (Twisted Pair) System. Dabei handelt es sich um ein 24V Bussystem, welches mit über 9.600Bit/s Daten von verschiedenen Sensoren und Aktoren über Kabelleitungen austauscht.
- • In der ursprünglichen Form diente Bluetooth überwiegend der Anbindung von Kopfhörern und Lautsprechern. Es handelt sich dabei um die Übertragung kontinuierlicher Datenströme. Bluetooth ab den Versionen 4.0 wird auch als Bluetooth Low Energy (BLE) bezeichnet - eine stromsparende Variante. Der große Vorteil von Bluetooth ist die Kompatibilität zu zahlreichen Endgeräten von verschiedenen Unternehmen. Mit der Einführung von Version 5.0 verdoppelte sich die Geschwindigkeit des Datenaustausches, vervierfachte sich die Reichweite und verachtfachte sich die Übertragungskapazität. Einen weiteren Vorteil bietet der Mesh-Betrieb, bei dem jedes Gerät Daten von Nachbargeräten weiterleiten kann. Außerdem kann 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.
- • Das EnOcean Funkprotokoll wird hauptsächlich in der Heimautomation eingesetzt mit dem Fokus auf energieautarke Technologien. 2012 wurde es als internationaler Standard ISO/IEC14543-3-10 ratifiziert.
- • 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 bieten eigene proprietäre Funktionen und Protokolle an. Die Standards werden dadurch umfangreicher und können Endgeräte nicht mehr vollumfänglich unterstützen.
Bild: ZF Friedrichshafen AGReichweite
Die Reichweite eines Signals wird einerseits von der Wellenlänge einer Frequenz und andererseits von der Signalstärke beeinflusst. Je höher die Frequenz, desto niedriger die Reichweite und umgekehrt. Im Freien beträgt die mögliche Reichweite von Funksignalen basierend auf 868MHz 300m (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 2,4GHz kann von einer Reichweite von 100m ausgegangen werden. In Gebäuden werden die Signale jedoch durch Hindernisse gestört. Die Beeinträchtigung der Signalstärke ist abhängig von dem Material und der Dicke der Hindernisse, sowie der Anbringung und Ausrichtung des Sensors und Empfängers. Metall und Beton z.B. haben eine sehr hohe Dämpfung. Erzeugt der EHS ein Bluetooth-Signal mit einer Sendeleistung von 0,33mWs, so kann das Signal innerhalb eines Gebäudes bei 0dBm bis zu 10m zurücklegen.
Bild: ZF Friedrichshafen AGTelegrammlänge und Aufbau
Der Aufbau und die Länge eines Telegramms werden durch das Protokoll vorgegeben. So beträgt die Telegrammlänge bei KNX RF 35, bei ZigBee 21, bei EnOcean 14Bytes. In der Regel gilt, je länger das Telegramm desto höher die benötigte Energie für das Versenden.
Datenrate und Datenübertragungszeit
Die Datenrate wird über die Protokollart definiert. Sie gibt an, wie viele kBit/s von einem Sender zu einem Empfänger übertragen werden. Je höher der Frequenzbereich, desto höher die Datenrate. Vor allem bei der Übermittlung von großen Datenmengen wie bei Streamingdiensten, spielt die Datenrate eine bedeutsame Rolle. Deswegen hat sich in diesem Bereich besonders die WLAN-Technologie abgehoben. Für den EHS spielt vor allem die Datenübertragungszeit eine 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.
Fazit
Vor allem in den Bereichen Building Automation & Smart Home und bei 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 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.
Aufgrund der zunehmenden Vernetzung nimmt die Bedeutung der Funktechnologie kontinuierlich zu. So wuchs die Funktechnologie 2018 gegenüber zum Vorjahr um 32 Prozent. Dieses Kommunikationsmedium reicht von der kabellosen Datenübermittlung über lange Distanzen mittels LTE und zukünftiger 5G-Technologie, bis hin zu kurzen Distanzen über Meshnetzwerke. Nahezu jede smarte Anwendung profitiert von der Funktechnologie, die kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert wird. Anhand des Energy Harvesting Switch (EHS) von ZF lassen sich Vor- und Nachteile der verschiedenen Protokolle verdeutlichen.
Bild: ZF Friedrichshafen AGZahlreiche 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 Protokolle etabliert, die Vor- und Nachteile aufweisen.
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Dieser Artikel erschien in GEBÄUDEDIGITAL 7 2019 - 12.11.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.gebaeudedigital.de
