Umwelt-Monitoring mit wartungsfreien Funksensoren
Issue 01-2017:
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Serienprodukte mit batterielosen Funkkomponenten gibt es seit mittlerweile über 15 Jahren – vor allem für den Einsatz in der Gebäudeautomation. Dort helfen sie, Energie zu sparen sowie den Komfort und die Sicherheit zu attraktiven Betriebskosten zu verbessern – eine Erfolgsgeschichte, die andauert. Jetzt erobert die Technologie ein weiteres Anwendungsfeld.
Eine neue Welt vor der Haustür
Jede Infrastruktur, die uns im Alltag begegnet, kann von Sensorik profitieren. Sensoren können uns beispielsweise zeigen, ob die Straße vereist ist oder wo sich freie Parkplätze befinden. Sie warnen, wenn Brücken eine Wartung benötigen oder Hochspannungsleitungen überlastet sind. Auf dem Feld sammeln sie die wesentlichen Informationen, die für die optimale Zucht von Nutzpflanzen benötigt werden. Der wesentliche Grund, warum bisher nur ein Bruchteil dieser Potenziale genutzt wird, sind die Kosten für eine Verkabelung – oder für die Wartung bei batteriebetriebenen Funksensoren.
Wartungsfreiheit ist wesentlich
In der Gebäudetechnik haben wir gelernt: Wartungsfreiheit ist wichtig und der entscheidende Grund für den Erfolg der Energy Harvesting-Technologie. Batteriewechsel werden aufgrund des hohen Aufwands zur Entsorgung und der Kosten für den Austausch nicht akzeptiert. Dies gilt umso mehr im Außenbereich, wo ein Austausch ungleich aufwendiger ist: auf dem Feld, an Brücken und Hausfassaden, an Hochspannungsleitungen oder Gewässern.
Neue Herausforderungen
Im Vergleich zur Gebäudeautomation stellen sich für den Außenbereich zwei wesentliche, neue Anforderungen: zum einen hinsichtlich der Funkreichweite, die trotz begrenzter Energiereserven mehrere Kilometer betragen sollte. Zum anderen hinsichtlich der äußeren Bedingungen: Feuchtigkeit, Schmutz, Sonnenlicht und extreme Temperaturen verlangen zum Schutz der Elektronik eine solide Gehäusetechnik und geeignete Bauelemente, insbesondere für die Energiespeicher.
Das Long Range-Funksystem von EnOcean
EnOcean hat in den letzten drei Jahren ein eigenes Long Range-System entwickelt, das auf den Erfahrungen und Bausteinen aus früheren Entwicklungen beruht. Dies betrifft insbesondere das ausgefeilte Lade- und Energiemanagement, eine flexible und energieoptimierte Kommunikationsstrategie sowie die standardisierte Datenschnittstelle.
Eine typische Installation benutzt die drei wesentlichen Komponenten Sensor-Transceiver, Gateway-Transceiver und Sensoren.
Die Sensor-Transceiver sitzen in einem robusten Aluminiumgehäuse mit drei M16- Schnittstellen. Zwei davon dienen dem Anschluss externer Sensoren, während die Dritte die individuelle Konfiguration und Software-Updates erlaubt. Eine integrierte Solarzelle sorgt für vollständig wartungsfreien Betrieb und ermöglicht die Datenerfassung und -übertragung in einem definierten Zeitraum über einige Kilometer.
Der Gateway-Transceiver benutzt das gleiche Gehäuse, allerdings ohne Solarzellenfenster, da dieser über seine eigene M16- Schnittstelle versorgt wird. Diese Schnittstelle ermöglicht gleichzeitig den Transport der Daten in die Cloud.
Alle Sensoren werden über kurze Kabel mit M16-Steckern an die Sensor-Transceiver angeschlossen. Dafür wurde eine generische Schnittstelle entwickelt, welche eine flexible nachträgliche Erweiterung des Systems mit neuen Sensoren ermöglicht, ohne dass Software-Updates im Transceiver benötigt werden.
Von Parkplatzüberwachung bis zu landwirtschaftlichen Anwendungen
Bislang wurden bereits Sensoren für landwirtschaftliche Anwendungen zur Messung der Bodenfeuchte, Luftfeuchte, Temperatur und Lichtintensität implementiert. Weiterhin wird an Sensoren für Parkplatzüberwachung, Bewegungserkennung und zur Messung des Wasserstands gearbeitet. Ziel ist es, das Portfolio verfügbarer Sensoren kontinuierlich auszubauen, um immer neue Einsatzfelder zu erschließen.
Funkstandards, Netzwerke und Services
Neue Funkstandards verbinden niedrige Sendeleistungen mit hoher Reichweite. Beispiele hierfür sind LORA, basierend auf einer Chiptechnologie der Firma Semtech, oder das von Sigfox entwickelte Schmalband-Übertragungsverfahren, welches auf verschiedenen Transceiver-Plattformen implementierbar ist. Beide Verfahren setzen zudem auf einen zunehmenden Ausbau einer Infrastruktur – eines Netzwerks von Empfangsknoten, welches die Sensordaten in die Cloud transportiert und neue datenfokussierte Services ermöglicht.
Wartungsfreie Funksensoren tragen in der Landwirtschaft maßgeblich zur Steigerung der Ertragsmenge und Qualität bei.
Batterieloses Umwelt-Monitoring auf Basis von Longe Range-Standards
Alle Komponenten wurden über mehr als zwei Jahre lang in mehreren Pilotinstallationen in Deutschland und Japan getestet und sind seit Ende 2016 für den japanischen Markt in Serie erhältlich. Das japanische Unternehmen NTT ist der erste Kunde, der diese Long Range-basierte Lösung bereits erfolgreich für Anwendungen in der Landwirtschaft einsetzt.
Dank EnOceans umfangreichens Knowhows im Bereich des Energy Harvesting und der auf verschiedenen Funkstandards basierenden Anwendungen sorgt die batterielose Funktechnologie auf Basis offener Standards auch außerhalb von Gebäuden für mehr Effizienz, Sicherheit und Kostenersparnisse.
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