Smart Home

Laufzeitanalyse batteriebetriebener Smart-Home-Geräte

09.01.15 | Autor / Redakteur: Christian Pätz, Christian Rossberg * / Margit Kuther

Batteriemessgerät: Datenaufzeichnung von Spannung und Strom für die Leistungsberechnung.
Batteriemessgerät: Datenaufzeichnung von Spannung und Strom für die Leistungsberechnung. (Bild: Christian Pätz)

In vielen bestehenden Häusern lässt sich ein Smart-Home-System nur mit sehr viel Aufwand installieren. Abhilfe können batteriebetriebene Lösungen schaffen.

Das intelligente Haus von morgen verspricht dem Bewohner Verbesserungen. Dazu zählen neben Bequemlichkeit und Sicherheit auch ein Energiespareffekt. Eine Schwierigkeit ist dabei die Installation sowohl einer Kommunikationsstrecke als auch einer Energiezufuhr für die einzelnen Sensoren und Aktoren. Lösungen mit Funk und Batteriebetrieb versprechen besonders bei der Sensorik Abhilfe.

Der Batteriebetrieb hat für den Nutzer verschiedene Nachteile, denn er muss einzelne Batterien immer wieder kontrollieren. Die Kontrolle kann über eine Weboberfläche, direkt am Gerät oder, sofern vorgesehen, durch Alarmierung des Gerätes mit leerem Akku bereitgestellt werden. Weiterhin kommen laufende Kosten durch die Anschaffung neuer Batterien und ein Umweltproblem bei der Entsorgung alter Batterien hinzu.

Aus Kostengründen wird die Elektronik meist direkt und ohne zusätzlichen Wandler aus der Batterie versorgt. Durch den Innenwiderstand der Batterien kommt es zu einem Spannungsabfall proportional zum Strom. Sinkt die Spannung dabei unter die Funktionsschwelle der Elektronik, muss dies erkannt und abgefangen werden, da sonst die Elektronik/Software in einen undefinierten Zustand geraten kann.

Für den Entwickler bedeutet ein Batteriemanagement mit entsprechender Benachrichtigung an den Nutzer zusätzlichen Aufwand beim Entwurf. Es stellt sich ebenso die Frage, ob die Funktionalität der Funkkommunikation mit sinkender Batteriespannung noch gewährleistet werden kann.

Batteriemanagement

Für jeden Betriebszustand eines Sensors oder Aktors ergibt sich eine definierte Leistungsaufnahme. Abbildung 1 (Bilder siehe Bildergalerie) veranschaulicht die Stromaufnahme der einzelnen Zustände. Nach der Standby-Phase wird der Mikrocontroller bei ca. 5,1 s aufgeweckt und die Peripherie eingeschaltet.

Der Transceiver und eine LED werden eingeschaltet. Daraus ergibt sich ein Wert von ca. 24 mA. Spitzen von 32 mA werden durch das Senden von Nachrichten erreicht. Die aktiven Phasen der Sensoren oder Aktoren sind nicht äquidistant verteilt und entsprechen selten dem vom Batteriehersteller vorgegebenen idealtypischen Entladeschema mit konstantem sehr geringem Strom. Dies trägt dazu bei, dass nicht die vollständige Kapazität aus der Batterie entnommen werden kann [1].

Da dieser Effekt jedoch schwer abzuschätzen ist, wird meist fälschlicherweise davon ausgegangen, dass jeweils die gesamte Kapazität entnommen werden kann. Eine Schätzung der Lebensdauer ist aufgrund verschiedener Umstände schwierig und unterliegt äußeren Einflüssen, etwa dem Nutzungsverhalten, der Umgebung und der Selbstentladung.

An der Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz wurde für die Messung des Energiebedarfs von batteriebetriebenen Geräten ein Messsystem [2] entwickelt. Dieses ist portabel und autark einsetzbar (Bild 2). Somit lässt sich eine Installation von Smart-Home-Produkten im Feld einfach überwachen und Wechselwirkungen zwischen einzelnen Teilnehmern im Smart-Home-Netzwerk verfolgen.

Messung im realen Umfeld

Ziel der Untersuchung war, die Laufzeit von batteriebetriebenen Knoten zu ermitteln. Es ist von großer Bedeutung, die Produkte in einem realen Umfeld zu evaluieren, da sich mit Einzelmessung im Labor mitunter das tatsächliche Verbrauchsverhalten nicht vollständig abbilden lässt.

Störungen durch andere Technologien oder das reale Nutzerverhalten können nicht oder nur schlecht abgebildet werden. Wird eine Tür geöffnet, löst der Sensor ein Ereignis aus und wartet noch auf die Bestätigung der Gegenstelle. Währenddessen wird die Tür geschlossen und ein weiteres Ereignis ausgelöst.

Damit beginnt ein neuer Kommunikationszyklus während der vorhergehende noch nicht abgeschlossen wurde. Dies ergibt eine Verfälschung der gemessenen Energiewerte. Daneben kann eine Abschätzung der Energieeffizienz des Funkprotokolls getroffen werden. Werden Pakete dauerhaft mehrfach gesendet, so verringert sich die Effizienz und die Lebensdauer eines Knotens sinkt.

Für die Untersuchung wurden Produkte verschiedener Hersteller verwendet, darunter die in Deutschland weit verbreiteten Homematic, RWE, Enocean und Z-Wave.

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