Automatisierung
Batterieloser Funk in der M2M-Kommunikation
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Software als Schlüssel
Das Security-Konzept für den batterielosen Funk ergänzt die Firmware Decoding Gateway als wichtiger Baustein für die Empfängerseite. Sendet ein batterieloses Funkmodul verschlüsselte Telegramme mit Rolling Code auf Basis des AES-128-Standards, kann das Transceiver-Modul TCM 300 - programmiert mit Decoding Gateway - diese entschlüsseln und anschließend an einen externen Controller weiterleiten. Der herstellerspezifische Controller muss die Telegramme nicht mehr selbst decodieren, sondern erhält sie bereits entschlüsselt und kann sie sofort nutzen.
Bestehende Empfangs- und Gateway-Produkte lassen sich dadurch einfach über die Programmierung des Transceiver-Moduls mit Decoding Gateway um die Sicherheitsfunktionen erweitern. Beim Einlernprozess speichert die Firmware den Rolling Code zusammen mit dem entsprechenden Schlüssel auf dem Dolphin-Chip, so dass keine Änderung an der Hardware notwendig ist. Speziell für neue Produktentwicklungen können OEMs diese Informationen auch alternativ auf einem separaten EEPROM speichern. Dadurch werden die Sicherheitsinformationen außerhalb vom Programmspeicher des Moduls gehalten.
Schnittstelle zur batterielosen Funkwelt
Mit EnOcean Link gibt es zudem eine neue Middleware für die batterielose Funktechnologie. Die Software dient als universelle Schnittstelle in der Funkkommunikation und interpretiert die Werte aus EnOcean-Telegrammen automatisch (Bild 3). Dadurch sind Sensor-Daten wie Feuchte, Präsenz oder Temperatur vollständig aufbereitet, so dass verschiedene Endgeräte, Server oder auch Cloud-Dienste diese sofort weiterverarbeiten können. Die Middleware berücksichtigt automatisch alle Spezifikationen des EnOcean Protocol Stack sowie die Anwendungsprofile (-EnOcean Equipment Profiles) der EnOcean -Alliance und Verschlüsselungsmechanismen.
In einem M2M-Netzwerk zum Beispiel kann ein Gateway mit Hilfe der Middleware die Informationen batterieloser Funksensoren sofort interpretieren und an eine zentrale Steuerung weiterleiten - unabhängig davon, ob ein System mit WLAN, KNX, DALI, BACnet, GSM oder anderen Kommunikationsprotokollen vernetzt ist. Sind Funktelegramme auf der Luftschnittstelle verschlüsselt, decodiert EnOcean Link diese, bevor sie ein externer Controller weiterverarbeitet.
Reichweiten-Planung
Neben der sicheren und zuverlässigen Integration des batterielosen Funks in ein M2M-Netzwerk müssen Planer die Reichweite berücksichtigen. Bei batterielosen Funksensoren, die auf dem Standard ISO/IEC 14543-3-10 basieren, liegt diese bei 30 m im Gebäude-Inneren und 300 m im Freifeld. Für die tatsächliche Reichweite müssen jedoch die realen Umgebungsbedingungen mit einbezogen werden (Bild 4).
Da es sich bei Funksignalen um elektromagnetische Wellen handelt, nimmt die Feldstärke am Empfänger mit zunehmendem Abstand zum Sender ab. Zudem haben unterschiedliche Materialien unterschiedliche Auswirkungen auf die Reichweite des batterielosen Funks. Die Tabelle zeigt, wie stark verschiedene Baustoffe die Funkreichweite beeinflussen können.
Ein besonderes Augenmerk müssen Systemplaner auf mögliche vorhandene Metallflächen haben. Diese reflektieren elektromagnetische Wellen, zum Beispiel bei metallischen Trennwänden und Metalldecken, massiven Armierungen in Betonwänden und Metallfolien von Wärmedämmungen. Dahinter bildet sich ein sogenannter Funkschatten. Vereinzelte dünne Metallstreifen haben dagegen kaum Einfluss, beispielsweise die Profile in einer Gipskarton-Trockenbauwand.
| Material | Reduzierte Reichweite gegenüber Freifeld |
|---|---|
| Holz, Gips, unbeschichtetes Glas, kein Metall |
0 bis 10 % |
| Backstein, Pressspanplatten | 5 bis 35 % |
| Beton mit Armierung aus Eisen |
10 bis 90 % |
Reichweiten-Reduzierung durch unterschiedliche Bau-Werkstoffe
Die batterielose Funktechnologie kann jedoch auch funktionieren, wenn kritische Metallflächen vorhanden sind. Dies geschieht über Reflexionen: Metall- und Betonwände reflektieren die Funkwellen, so dass sich diese durch Öffnungen wie eine Holztür oder eine Glaswand an der Metallfläche vorbei leiten lassen.
Routing-Verfahren
Viele M2M-Anwendungen erfordern Daten von verschiedensten, räumlich entfernten Stellen. Mit Hilfe von Repeatern lässt sich der batterielose Funk auch über größere Reichweiten nutzen. Hier empfiehlt sich das Smart Routing. Dabei gibt ein Repeater nicht nur das Funksignal weiter, sondern kommuniziert auch mit anderen Repeatern. Dieses Routing-Verfahren bildet alle möglichen Alternativwege bei jeder Funkübertragung ab und sorgt so für eine hohe Zuverlässigkeit. Bei Konzepten mit bidirektional kommunizierenden Aktoren können sich die relevanten Repeater im System auch selbst konfigurieren. Der Anwender muss damit die Repeater-Knoten nicht mehr manuell auswählen, so dass das System automatisch die optimale Leistung einstellt.
Positionierung von Gateways und Einsatzspektrum
Sender nach dem Konzept von -EnOcean lassen sich problemlos neben beliebig vielen weiteren Sendern montieren. Der Abstand von EnOcean-Empfängern zu anderen Sendern wie GSM, DECT oder WLAN sowie anderen hochfrequenten Quellen (Computer-, -Audio- und Videoanlagen) sollte jedoch mindestens 50 cm betragen. Die Position des Senders ist dagegen unkritisch. Zur Komplett-abdeckung können zentral platzierte Funk-Gateways zu anderen Protokollen verwendet werden. Werden in einem System zwei benachbarte Funk-Gateways auf parallelen Empfang eines Funksenders programmiert, lässt sich bei Bedarf auch ein redundanter Funkempfangspfad für besondere Robustheit realisieren.
Letztlich sind die möglichen Einsatz-gebiete des Energy-Harvesting-Funks für M2M-Anwendungen vielfältig. Beispiele sind die Überwachung von Seefracht-Containern oder Kühlketten ebenso wie die funkbasierte Schädlingsbekämpfung oder Warnmeldesysteme. Zudem könnten zukünftig in der Landwirtschaft große Flächen mit Sensoren versehen werden, die rechtzeitig vor Waldbränden warnen. Auch zur Überwachung von Bausubstanz wie bei großen Brücken eignet sich der energieautarke Funk. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften hat die batterielose Funktechnologie das Potenzial, sich als Standard für die erste Kommunikationsstufe in einem M2M-System durchzusetzen. Denn bei zahlreichen künftigen M2M-Anwendungsfeldern wären kabelgebundene oder batteriebetriebene Funksysteme technisch viel zu aufwendig und nicht kosteneffizient.
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