Batterielose Funknetzwerke
Vernetzung für das 'Internet der Dinge'
In Gebäuden dienen batterielose Funksensoren schon lange als 'Sinnesorgane', um Messwerte zu übertragen und Aktoren zu steuern. Die Technologie findet vermehrt auch Anwendung in Machine-to-Machine-Systemen, da sie eine anpassungsfähige und ausfallsichere Echtzeit-Kommunikation ermöglicht.
Bild: Enocean GmbH
Unter dem Schlagwort ‚Industrie 4.0‘ wird auch das Ziel gefasst, Produktionsprozesse mithilfe von Kommunikationstechnologien flexibel nach Bedarf zu steuern und Ressourcen optimiert einzusetzen. Besonders bei bestehenden Fabriken bietet sich hier der Einsatz von Funktechnologie an, da sie sich leicht nachrüsten und erweitern lässt. Die meisten Systeme nutzen gängige Funkprotokolle wie GSM oder WLAN, um große Datenmengen in kurzer Zeit zu übertragen. Für Sensoren, die Informationen an verschiedensten Stellen in der Werkhalle erfassen und verarbeiten, eignen sich diese Standards jedoch nicht immer: Der hohe Energiebedarf der Protokolle erfordert eine Stromversorgung über Kabel oder Batterien. Dadurch geht nicht nur Flexibilität verloren. Vielmehr können Batterieausfälle zu Fehlern im System führen. Alternativ lassen sich für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) in der Industrie Sensoren mit batterieloser Funktechnologie einbinden, die ihren Ursprung in der Gebäudeautomation hat.
Nach dem Prinzip des ‚Energy Harvesting‘ gewinnen entsprechende Funkmodule ihre Energie mittels miniaturisierter Energiewandler unmittelbar aus der Umgebung und arbeiten dadurch ohne Batterien. Dabei dienen Bewegung, Licht oder Temperaturdifferenzen als Energiequellen, die ein elektrodynamischer Energiegenerator, eine Mini-Solarzelle oder ein thermoelektrischer Wandler erschließen. Die so ‚geernteten‘ kleinen Energiemengen reichen aus, um Funksignale zu übertragen. Die Basisfunktionen des batterielosen Funks definiert der internationale Standard ISO/IEC14543-3-10. Er bietet ein ‚Drahtlosprotokoll für kurze Datenpakete (WSP), optimiert für Energy Harvesting‘ und bezieht sich auf Architektur und untere Protokollebenen. Der Standard verwendet für Europa die Frequenz 868MHz, wodurch Interferenzen mit 2,4GHz-Systemen – auf diesem Band funken zum Beispiel WLAN-Applikationen – vermieden werden. Funkwellen unter einem Gigahertz erreichen zudem ungefähr die doppelte Reichweite bei gleichem Energiebedarf wie ein 2,4-GHz-Funksystem. Zusätzlich halten die Module ihren Energieverbrauch gering, indem sie Aktionen durch Sensoren und Aktoren sehr schnell ausführen lassen und nicht benötigte Baugruppen konsequent abschalten. Die minimale Telegrammlänge des ISO/IEC-Standards beträgt 0,7Millisekunden bei einer Datenrate von 125 kBit pro Sekunde.
Reichweite unter allen Bedingungen
Bei Planung und Aufbau einer funkbasierten Steuerung mit batterielosen Sensoren müssen die Umgebungsbedingungen einbezogen werden. Nur so lassen sich die tatsächliche Reichweite und eine bestmögliche Funkabdeckung bestimmen. Zwar liegt die maximale Reichweite des ISO/IEC 14543-3-10-Standards bei bis zu 30 Metern innerhalb von Gebäuden und 300 Metern im Freifeld. Allerdings können verschiedene Materialien das Signal unterschiedlich stark dämpfen. Während Holz, Gips oder unbeschichtetes Glas so gut wie keinen Einfluss auf ein Funksystem haben, können Backsteine oder Pressspanplatten die Reichweite um etwa fünf bis 35 Prozent einschränken. Bei Beton mit Eisenarmierung kann die Signaldämpfung bei zehn bis 90 Prozent liegen. Metall- und Betonwände reflektieren jedoch Funkwellen, sodass sich diese durch Öffnungen wie eine Holztür oder eine Glaswand an der Metallfläche vorbei leiten lassen. Dadurch kann der batterielose Funk auch bei kritischen Metallflächen eingesetzt werden. Für die Vernetzung über größere Distanzen dienen Repeater, die das Funksignal weitergeben.
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Über Gateways können Systemplaner batterielose Sensoren in andere Funknetzwerke und damit beispielsweise in eine WLAN-basierte, zentrale Steuerung einbinden. Der Abstand von batterielosen Funkempfängern zu Sendern wie GSM, DECT oder WLAN sowie hochfrequenten Quellen wie Computer-, Audio- oder Videoanlagen sollte dabei mindestens 50 Zentimeter betragen. Die Position des Senders ist dagegen unkritisch. Mithilfe eines mobilen Feldstärke-Messgeräts, wie beispielsweise dem Enocean EPM 300, lassen sich die passenden Montageorte für Sensor und Empfänger vor Ort bestimmen: Das Gerät zeigt die Feldstärken empfangener Funktelegramme und störende Funksignale im relevanten Frequenzbereich an. Wird ein Sensor durch das Senden eines Funksignals aktiviert, lässt sich anhand der Anzeige am Messgerät die empfangene Feldstärke überprüfen und der Sensor entsprechend positionieren.
Verschlüsselte Übertragung sensibler Daten
Der ISO/IEC-Standard enthält bereits grundlegende Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz vor Duplikaten und Übertragungsfehlern. So ist eine Prüfsumme immer Teil des Datenpakets, die die Integrität der Telegramme sicherstellt und dadurch Übertragungsfehler vermeidet. Darüber hinaus trägt jedes standardkonforme Funkmodul eine individuelle, 32Bit lange Identifikationsnummer, um Telegrammüberschneidungen zu verhindern und Sensor-Identitäten zu authentifizieren. Spezifische Produktionsumgebungen oder kritische Anwendungen erfordern jedoch höhere Sicherheit bei der Datenübertragung. Für diese Fälle lassen sich erweiterte Authentifizierungs- und Verschlüsselungsmechanismen einsetzen. So kann ein batterieloser Sensorknoten alle ein- und ausgehenden Datenpakete kontinuierlich hochzählen und dadurch die Aktualität der Telegramme sicherstellen.
Dafür wird mit jedem Telegramm ein 16 oder 14Bit langer Rolling Code (RC) ausgegeben. Zusammen mit dem Telegramm-Header und den Telegrammdaten dient der RC als Basis für einen 24 oder 32 Bit langen, zahlenbasierten Authentifizierungscode oder ‚cypher-based Message Authentication Code‘ (CMAC). Der CMAC wiederum ist durch einen 128-AES-Verschlüsselungsalgorithmus abgesichert. Diese Funktionalität schützt Netzwerke insbesondere vor Wiederholungsattacken, sogenannten Replay Attacks. Ein anderer Mechanismus ist die Verschlüsselung von Datenpaketen durch den Sender. Die Daten werden hier ebenfalls über den AES-Algorithmus mit einem 128-Bit-Schlüssel codiert. Dadurch lassen sich Lauschattacken oder ‚Eaves Dropping‘ verhindern.
Vom Gebäude zur Industrie
Batterielose Funksysteme kombinieren die Flexibilität der drahtlosen Kommunikation mit einem wartungsfreien Betrieb. Diese spezifischen Eigenschaften ermöglichen die Einrichtung eines umfassenden Sensornetzwerkes bei vergleichsweise geringem Installations- und Betriebsaufwand. Auf dem Weg zur Industrie 4.0 können Systemplaner dabei von dem in der Gebäudeautomation bewährten Einsatz der batterielosen Funktechnologie sowie einem bei Bedarf besonders abgesicherten Datenverkehr profitieren.
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