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.
Energieautarker Generator mit Funkleiterplatte (Bild: ZF Friedrichshafen AG)
Frequenzbereiche
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.
Energieautarkes
2-Wege Tastmodul (Bild: ZF Friedrichshafen AG)
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.
