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Sensor- und Aktornetzwerke Batterieanalyse für Smart-Home-Produkte selbst gebaut

Autor / Redakteur: Christian Roßberg, Christian Pätz * / Margit Kuther

Das intelligente Haus von morgen besteht aus Sensoren und Aktoren, die mit Energie versorgt werden müssen. Doch was tun, wenn keine Netzspeisung möglich ist?

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Bild 1: Dieses Batteriemessgerät wurde am Sitftungslehrstuhl für Systemzuverlässigkeit der Technischen Universität Chemnitz entwickelt
Bild 1: Dieses Batteriemessgerät wurde am Sitftungslehrstuhl für Systemzuverlässigkeit der Technischen Universität Chemnitz entwickelt
(Bild: TU Chemnitz)

Das intelligente Haus von morgen besteht aus Sensoren und Aktoren, die mit Energie versorgt werden müssen. Oftmals werden für Sensoren und Aktoren Funklösungen aufgrund der einfachen Installation favorisiert. Wo Netzspeisung nicht möglich ist, kommen entweder Batterien oder Energy Harvesting zum Einsatz. Energy Harvesting funktioniert jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen. Zum einen ist die Funkzuverlässigkeit wegen des geringen Energiebudgets begrenzt und zum anderen benötigt manche Sensorik oder gar Aktorik deutlich höhere elektrische Leistungen, als Harvester überhaupt zur Verfügung stellen können.

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Damit führt kurzfristig an dem Einsatz von Batterien kein Weg vorbei. Diese können bei sinnvoller Dimensionierung der elektronischen Schaltung und sauberem Firmware-Design durchaus akzeptable Lebensdauern von fünf Jahren oder mehr erreichen. Leider ist es aber auch möglich, durch falsches Design in Hard- und Software die Batterielebensdauer sehr stark zu begrenzen. Darüber hinaus werden bei der Batterielaufzeit von Herstellern der Geräte mitunter zu optimistische Angeben gemacht, die dann in der Praxis zu Enttäuschung und Frustration beim Anwender führen.

Anforderungen an ein Batteriemesssystem

Um hier Realität von Marketingversprechen zu trennen und Entwicklern entsprechend Feedback über ihre Designansätze zu liefern braucht es entsprechende Mess- und Analysetechnik. Diese muss die verbrauchte elektrische Energie über einen gewissen Zeitraum unter realen Bedingungen messen um daraus eine Abschätzung über die Gesamtlebensdauer der eingesetzten Batterie treffen zu können. Weiterhin kann eine zeitlich aufgelöste und genaue Ermittlung der von der Schaltung benötigten Leistung Rückschlüsse auf die Arbeitsweise eines batteriebetriebenen Funkgerätes ermöglichen.

In den meisten Schaltungen für funkbasierte Sensorik und Aktorik können fünf verschiedene Betriebszustände unterschieden werden:

  • Tiefschlaf mit minimalem Energieverbrauch,
  • eingeschaltete CPU mit deaktiviertem Transceiver,
  • eingeschaltete CPU und eingeschalter Funkempfänger im Leerlauf,
  • eingeschaltete CPU und eingeschalter Funkempfänger im Empfangsbetrieb und eingeschaltete CPU sowie
  • eingeschalter Funkempfänger im Sendebetrieb.

Ein Messgerät zur Abschätzung der Batterielebensdauer eines Funksensors/Funkaktors muss daher bestimmte Anforderungen erfüllen: Das Gerät muss selbst batteriebetrieben sein und mit einer Speichermöglichkeit für Messwerte ausgestattet sein, um ein Funksensor/Funkaktor im realen Einsatz-Fall untersuchen zu können, das Gerät muss mehrere Tage durchgehend aufzeichnen können und sollte zeitlich hochauflösend sein, um die Arbeitsweise des Gerätes ermitteln zu können. Als minimale zeitliche Auflösung kann hier die zehnfache Taktrate angenommen werden. Übliche Ströme von Batterien bei Funktechnik im Smart Home liegen im μA- bis mA-Bereich. Sie können jedoch einen sehr hohen Dynamikbereich überstreichen. Das Messgerät muss einfach herzustellen sein, damit möglichst viele Teilnehmer eines Funknetzes gleichzeitig überwacht werden können.

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