DE102005022989A1 - Modulares System und Verfahren zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten - Google Patents

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DE102005022989A1
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Henning Gerder
Udo Beckmann
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Draegerwerk AG and Co KGaA
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04QSELECTING
    • H04Q9/00Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares System und ein Verfahren zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten, wobei das modulare System mehrere Module, die jeweils mindestens ein Mittel (31) zur Gewinnung von Meßdaten, ein Mittel (32) zum Versenden der Messdaten per Funk, ein Mittel (33) zum Empfang von anderen Einheiten gesendeter Daten sowie Mittel (34) zur Generierung eines Zusatzinformationen enthaltenden versendbaren Codes enthalten, wobei das Mittel (32) zum Versenden der Messdaten und das Mittel (33) zum Empfang von anderen Einheiten gesendeter Daten gemeinsam als Repeater (35) fungieren, umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein modulares System und Verfahren zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten.
  • Häufig stellt sich die Aufgabe, zeitgleich oder zeitnah Messdaten an verschiedenen Orten zu gewinnen und einer zentralen Verarbeitung und/oder Auswertung zuzuführen. Dazu werden in der Regel Sensoren, die zur Gewinnung der interessierenden Messdaten geeignet sind, an den betreffenden Messorten platziert. Die Anbindung der Sensoren an eine zentrale Verarbeitungs- oder Auswerteeinheit erfolgt überwiegend auf zwei Arten, nämlich kabel- oder funkgestützt. Typische Anwendungsfälle für ein derartiges System der Messdatengewinnung finden sich auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik, insbesondere der atmosphärischen Überwachung von Industrieanlagen, Gebäuden und ähnlichem.
  • Es sind etablierte, drahtgebundene Systeme der Anbindung von Sensoren an eine zentrale Auswerteeinheit bekannt. Beispielsweise können eine 4–20 Milliampere-Schnittstelle, Ethernet-basierte LAN-Anwendungen, verschiedene Hausinstallationsbussysteme (LON, EIB) oder Bussysteme aus dem Bereich der Automatisierungstechnik (ProfiBus DP) eingesetzt werden. Kabelgebundene Systeme bedeuten jedoch in der Regel einen hohen Installationsaufwand beziehungsweise sind in einzelnen Anwendungen, wo eine Installation auf unüberwindbare Hindernisse stoßen würde, überhaupt nicht einsetzbar. Besonders aufwändig ist oft auch eine nachträgliche Integration von drahtgebundenen Systemen in bereits bestehende Infrastruktur.
  • Die Alternative wird oft in funkgestützten Systemen gesehen, die ebenfalls in etablierten Standardanwendungen verfügbar sind. Zu nennen sind an dieser Stelle WLAN, Bluetooth beziehungsweise ZigBee, die bei Anwendungen, in der drahtgebundene Systeme einen hohen Installationsaufwand bedeuten würden, häufig zum Einsatz kommen.
  • Ein funkgestütztes System zur ortsaufgelösten Datengewinnung benötigt für jede Messstelle eine funktionierende Funkverbindung zur zentralen Auswerteeinheit. Diese Funkverbindung kann entweder direkt von der Messstelle zur Auswerteeinheit aufgebaut oder zwecks Reichweitenerhöhung über verschiedene Repeater aufrechterhalten werden.
  • Allen Funksystemen ist gemeinsam, dass durch bauliche Gegebenheiten, zum Beispiel durch Wände beziehungsweise Decken sowie Geländehindernisse, die maximale Reichweite, die einer eingestellten Sendeleistung entspricht, deutlich reduziert werden kann. Bei WLAN-Anwendungen kann so die maximale Reichweite von ca. 100 m auf unter 10 m schrumpfen. Zur Kompensation dieser Reichweitenreduktion ist es bekannt, die Sendeleistung drastisch zu erhöhen oder zusätzliche Repeater im Übertragungsweg anzuordnen.
  • Hohe Sendeleistungen bedingen einerseits zahlreiche Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht in der Erhöhung der Leistungsaufnahme, was insbesondere bei funkgestützten Systemen, die häufig zumindest teilweise batteriebetrieben sind, einen erheblichen Nachteil bedeutet, da mit einer Erhöhung der Sendeleistung unweigerlich auch eine Verkürzung der Einsatzzeit verbunden ist.
  • Ein weiterer Nachteil besteht in dem Störpotential, das von Sendern ausgeht, die mit hoher Leistung betrieben werden. Eine hohe Sendeleistung birgt die Gefahr, dass Analogsignale von Sensoren gestört werden, was bis zum temporären Versagen einer Messdatengewinnung führen kann.
  • Eine engmaschige Installation zusätzlicher Repeater bedeutet andererseits eine Erhöhung des Kostenaufwandes und eine Erhöhung des Wartungsaufwandes. Ein weiterer Nachteil der angeführten Systeme besteht in der Anfälligkeit beziehungsweise Abhängigkeit der Datenübertragung vom Funktionieren der Übertragungsstrecke selbst. Durch Abreißen der Funkverbindung beziehungsweise durch Unterbrechung der Datenleitung kann es zum Totalverlust der aufgenommenen Messdaten kommen beziehungsweise eine Auswertung unmöglich werden. Insbesondere bei Überwachungsanlagen stellt das einen sicherheitsrelevanten Mangel dar.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Möglichkeit, zeitgleich oder zeitnah Messdaten von räumlich verteilten Messorten zu gewinnen und einer zentralen Auswerteeinheit zuzuleiten, die ohne den installatorischen Aufwand einer drahtgestützten Datenübertragung auskommt und gleichzeitig eine möglichst von Sendeeinheiten unbeeinflusste Messdatengewinnung und eine Übertragung der Messdaten zur zentralen Auswerteeinheit mit hoher Übertragungssicherheit ermöglicht.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein modulares System gemäß Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis 10 geben vorteilhafte Ausgestaltungen eines derartigen Systems an. Anspruch 11 gibt ein Verfahren zur Gewinnung von Messdaten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an, die Ansprüche 12 bis 30 geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
  • Die Erfindung besteht in einem modularen System zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten, das aus mehreren Modulen besteht, die jeweils mindestens ein Mittel zur Gewinnung von Messdaten, ein Mittel zum Versenden der Messdaten per Funk und ein Mittel zum Empfang von anderen Modulen gesendeter Daten sowie Mittel zur Generierung eines Zusatzinformationen enthaltenden versendbaren Codes enthalten. Die Mittel zum Versenden der Messdaten per Funk und die Mittel zum Empfang von anderen Modulen gesendeter Daten sind so konfiguriert, dass sie als automatischer Repeater fungieren können. Die Mittel zur Gewinnung von Messdaten können verschiedene, an sich vorbekannte Sensoren, insbesondere elektrochemische Gassensoren, optische Sensoren, pyroelektrische Sensoren und viele andere zur Datengewinnung geeignete elektronische oder andere Anordnungen sein. Mittel zum Versenden der Messdaten per Funk sind übliche Sendeeinheiten, deren Leistung vorzugsweise einstellbar ist. Mittel zum Empfang von anderen Modulen gesendeter Daten sind elektronische Baugruppen, die als Empfänger fungieren können.
  • Derart ausgestattete Module sind in der Lage, durch ihre Sensorfunktion Messdaten am Ort ihrer Installation zu gewinnen und diese Daten über die Sendeeinheit zu versenden. Gleichzeitig können die Module Funksignale, die bei ihnen eingehen, empfangen und diese über ihre Sendeeinheit wieder versenden, wodurch den auf diese Weise ausgestalten Modulen eine Doppelfunktion zufällt: erstens die Gewinnung von Messdaten am Ort ihrer Installation und zweitens die Funktion eines Repeaters ebenfalls am Ort ihrer Installation.
  • Eine zentrale Auswerteeinheit empfängt Daten von allen Modulen, die mit der zentralen Auswerteeinheit in direktem Funkkontakt stehen. Durch die Repeaterfunktion der Module, die mit der zentralen Auswerteeinheit in direktem Funkkontakt stehen, ist es jedoch möglich, dass bei der zentralen Auswerteeinheit auch Messdaten eintreffen, die von weiter entfernt angeordneten Modulen stammen. Um eine räumliche Zuordnung der gewonnenen Daten in der zentralen Auswerteeinheit zu ermöglichen, weisen die einzelnen Module zusätzliche Mittel zur Generierung eines Zusatzinformationen enthaltenden versendbaren Codes auf. Wichtige Zusatzinformationen dieses Codes sollten Informationen sein, die das jeweils sendende Modul identifizieren beziehungsweise einen Hinweis darauf enthalten, welches Modul die gesendeten Daten tatsächlich gewonnen hat. Der Zusatzinformationen enthaltende Code kann weiterhin Informationen darüber enthalten, ob am Ort des einzelnen Moduls eine Alarmsituation besteht.
  • Vorteilhaft ist es, wenn Informationen über die Orte, an denen erfindungsgemäße Module installiert sind, kartiert in einer Form vorliegen, dass zumindest die zentrale Auswerteeinheit auf diese Informationen zugreifen kann. Das kann beispielsweise durch elektronische Karten realisiert werden, die in der zentralen Auswerteeinheit hinterlegt sind.
  • Auf diese Weise kann in der zentralen Auswerteeinheit sowohl der Ort der Gewinnung der Messdaten als auch der Übertragungsweg zwischen dem Ort der Gewinnung der Messdaten und der zentralen Auswerteeinheit rekonstruiert werden. Das heißt, es kann nachvollzogen werden, welche Module an der Übertragung beteiligt waren.
  • Um eine Überlagerung der von verschiedenen Modulen eingehenden Funksignale bei der zentralen Auswerteeinheit beziehungsweise bei zwischengeschalteten Repeatern zu vermeiden, ist es zweckmäßig, jedem Modul ein spezielles Zeitfenster zum Versenden seiner Informationen zuzuweisen. Diese Zuweisung kann hardwaremäßig fixiert beziehungsweise durch einen Initialisierungsschritt angelegt werden. Die Anordnung der einzelnen Module in einem zu überwachenden Gebiet hat zunächst so zu erfolgen, dass an den interessierenden Messorten eine Datengewinnung möglich ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Anordnung darüber hinaus so, dass von einem Modul versendete Informationen zugleich von mehreren, zumindest von einigen benachbarten, Modulen empfangen werden. Die dadurch mögliche erfindungsgemäße Weiterleitung der empfangenen Signale führt dazu, dass gewonnene Messdaten stets auf mehreren Übertragungswegen redundant zur zentralen Auswerteeinheit geleitet werden können. Durch Variation der Sendeleistung der einzelnen Module können darüber hinaus Übertragungsstrecken ermittelt werden, die eine besonders geringe Sendeleistung erfordern. Bei einer bidirektionalen Nutzung der Übertragungswege können einstellbare Parameter an den einzelnen Modulen durch die zentrale Auswerteeinheit vorgegeben werden beziehungsweise nach einzelnen Datenauswertungen angepasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Übertragungswege zur zentralen Auswerteeinheit an die regionalen Gegebenheiten anzupassen, das heißt, die Sendeleistung der einzelnen Module kann so weit reduziert werden, bis gerade noch eine ausreichende Anzahl von Übertragungswegen zur zentralen Auswerteeinheit aufrechterhalten wird, um eine aus Sicherheitsgründen angestrebte oder vorgegebene Redundanz zu gewährleisten. Fällt ein einzelnes Modul aus, wird entweder an dieser Stelle eine Messwerterfassung nicht mehr möglich sein oder allenfalls ein Übertragungsweg durch den Fortfall der dort installierten Repeateranordnung nicht mehr funktionieren. Bei einer vorgegebenen Mindestanzahl von Übertragungswegen wird die Datenübertragung von allen anderen Messorten zur zentralen Auswerteeinheit nicht von einem derartigen Ereignis beeinträchtigt. Auf diese Weise lassen sich hochredundante Systeme aufbauen, die an verschiedene Sicherheitsanforderungen anpassbar sind. Gleichzeitig ist eine Minimierung der Sendeleistung möglich, was zu einer Erhöhung der Störfestigkeit führt und bei Batteriebetrieb die Einsatzzeit erhöht. Durch die Festlegung einzelner Zeitfenster für die Übertragung der einzelnen Module ist es darüber hinaus möglich, während des Messvorgangs gegebenenfalls den an diesem Modul angebundenen Sender vollständig abzuschalten beziehungsweise in einem Sleep-Modus verharren zu lassen. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei der Messwerterfassung realisieren, da das Störpotential des jeweiligen Senders ausgeschaltet ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der prinzipiellen Optimierung der Funkübertragungsstrecke, was generell den Einsatz geringer Funkleistungen erlaubt. Vorteilhafterweise lassen sich auf diese Art Module realisieren, die mit einer Sendeleistung von unter 10 Milliwatt auskommen, wodurch derartige Module zulassungsfrei in beliebigen Umgebungen installiert werden können.
  • Eine weitere vorteilhafte sicherheitsrelevante Ausgestaltung besteht darin, gewonnene Messdaten mit einem Schwellwert zu vergleichen, dessen Überschreiten zum Auslösen verschiedener Alarmfunktionen führt. Dieses Überschreiten eines Schwellwertes kann beispielsweise als Alarmfunktionen auslösende Zusatzinformation Bestandteil des versendbaren Codes werden, der in jedem Modul generiert wird.
  • Bei Eintreten einer Alarmsituation kann auf vielfältige Weise auf diese reagiert werden. So ist es in einer Alarmsituation vorteilhaft, den Abfragezyklus der einzelnen Module in der Weise zu ändern, dass Messdaten vom Ort der detektierten Alarmsituation bevorzugt beziehungsweise häufiger zur zentralen Auswerteeinheit geleitet werden. Eine Kombination mit anderen Sicherheitsmechanismen beziehungsweise eine Ansteuerung von Vorrichtungen zur Abstellung des den Alarmzustand bewirkenden Zustandes durch die zentrale Auswerteeinheit sind ebenfalls vorteilhaft.
  • Eine vorteilhafte Absenkung der Sendeleistung im Normalbetrieb führt zu einer automatischen Erhöhung der Betriebsdauer mobiler Energieversorgungssysteme. Die erfindungsgemäße Anpassung der Übertragungswege an Umgebungsbedingungen ermöglicht auch auf vorteilhafte Weise eine Anpassung des Systems an sich verändernde beziehungsweise nachträglich in den Übertragungsweg eingebrachte Hindernisse, die eine Übertragung stören beziehungsweise beeinträchtigen könnten.
  • Vorteilhaft ist außerdem, dass es problemlos möglich ist, bei einer veränderten Bedarfssituation weitere Module in das System einzubinden. In diesem Zusammenhang ist auch eine Kombination von fest installierten Modulen mit temporär ortsfesten Modulen, beispielsweise auf Stativen, und mobil beweglichen Modulen denkbar, die beispielsweise durch Personen in einem zu überwachenden Gebiet bewegt werden können. Hierfür sind Module als Bestandteil einer Schutz- und Sicherheitskleidung oder von tragbaren Messgeräten in Betracht zu ziehen. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die einzelnen Module eine oder mehrere Schnittstellen enthalten, über die der Anschluss mobiler Geräte drahtgebunden erfolgen kann. Über diese Schnittstellen kann sowohl eine Sensorkalibrierung, ein Datenaustausch als auch ein Austausch noch vorhandener Energiereserven erfolgen. Vorteilhafte Schnittstellen sind beispielsweise Ethernet, RS232, USB, Firewire, CAN und ähnliche.
  • Über diese Schnittstellen in einzelne Module eingespeiste Daten können behandelt werden wie von dem jeweiligen Modul gewonnene Daten, also ebenfalls direkt oder indirekt zur zentralen Auswerteeinheit versendet werden. Vorteilhafterweise wird vor Versenden dieser Daten eine weitere Kennung hinzugefügt, die darauf hinweist, dass die gewonnenen Daten nicht vom einem dem Modul zugeordneten Sensor, sondern von einem über die Schnittstelle angeschlossenen Gerät stammen.
  • Es kann weiterhin vorteilhaft sein, die erfindungsgemäßen Module mit anderen Modulen zu kombinieren, bei denen eine räumlich getrennte Messdatengewinnung und Datenversendung erfolgt. Das kann vorteilhaft sein, wenn es an einzelnen Orten auf eine besonders hohe Sicherheit der Datengewinnung und -versendung ankommt und eine zeitlich gesplittete Datengewinnung und -versendung nicht in Betracht gezogen werden kann.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin, eine Messdatenerfassung mit Lageinformationen abzugleichen, die zumindest in der zentralen Auswerteeinheit verfügbar sein sollten. Diese Lageinformationen könne aus digitalisierten Gebäudeplänen, topographischen Datensätzen und ähnlichem gewonnen werden. Werden die an einzelnen Orten gewonnen Messdaten mit einem Zeitstempel versehen, ist mit dem erfindungsgemäßen System auch eine Verfolgung der räumlichen Ausbreitung einer durch Messdaten charakterisierten Situation möglich.
  • Eine besonders hohe Vielseitigkeit eines erfindungsgemäßen Systems ergibt sich, wenn einzelne oder alle Module als Sensor zur Gewinnung von Messdaten, als Repeater zur funkgestützten Weiterleitung empfangener Daten und als Master für die Sammlung der durch die einzelnen Module gewonnenen und / oder versendeten Daten und für die Koordinierung des Sendebetriebs und eine Initialisierung des Systems fungieren kann. Die Funktion eines Masters wird dem jeweiligen Modul zugewiesen. Diese Zuweisung kann vorteilhafterweise über eine Schnittstelle im jeweiligen Modul erfolgen. In Zuge der Zuweisung können dem als Master vorgesehenen Modul weitere Daten zur Verfügung gestellt werden, die ansonsten überwiegend in der zentralen Auswerteeinheit benötigt werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, selbst bei Ausfall der zentralen Auswerteeinheit durch Nutzung eines entfernt liegenden Moduls und dessen Schnittstelle eine weitere zentrale Auswerteeinheit zu installieren und die verfügbar gebliebenen Module weiterhin zur Messdatenerfassung zu nutzen.
  • Unter Nutzung mehrerer Module als Master lassen sich auch mehrere lokale Teilnetze initialisieren, die nur über die Master miteinander kommunizieren. Auf diese Weise lässt sich auch bei sehr vielen Messorten das Datenaufkommen in überschaubarem Rahmen halten. Die Kommunikation der Master mit einer zentralen Auswerteeinheit kann wiederum über ein redundantes Netz im Sinne der Erfindung oder über herkömmliche funk- bzw. kabelgestützte Systeme erfolgen.
  • Die Sendeleistung der einzelnen Sensorknoten muss nur so hoch eingestellt werden, dass jeder Sensor über mehrere, mindestens jedoch zwei, Pfade mit seiner ihm zugehörigen Auswerteeinheit kommunizieren kann. Die Abstände zwischen den Knoten, also den Orten, an denen erfindungsgemäße Module installiert sind, sollten gering sein, um mit niedriger Sendeleistung arbeiten zu können. Vorteilhafterweise sind die erfindungsgemäßen Module dazu mit Mitteln für eine fernsteuerbare Einstellung der Sendeleistung und mit Mitteln zur Messung des Empfangspegels ausgestattet.
  • Die Datenversendung erfolgt im normalen Messbetrieb in einem relativ langsamen Zeittakt, beispielsweise im Minutenbereich, wenn man dies auf den messenden und sendenden Sensorknoten bezieht. Da die Knoten, die näher an der zentralen Auswerteeinheit platziert sind, außer ihren eigenen Daten auch Daten anderer Knoten weiterleiten müssen, bedeutet dies für den Datenverkehr in der Nähe der Auswerteeinheit ein Mehrfaches an Datenaufkommen. Um im Alarmfall die Signale schneller durchleiten zu können, ist ein Übertragungsprotokoll vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass im Alarmfall die Daten umgehend weitergeleitet werden. Der Alarmfall an einem Sensorknoten schaltet damit im Netzwerk für die notwendigen Pfade auf eine Takterhöhung um. Die Daten der Auswerteeinheit können dann in einer zentralen Monitoring- oder Alarmzentrale gebündelt werden. Die Weitergabe kann hierbei auf verschiedenen Übertragungswegen erfolgen, um die gewonnen Informationen über eine Alarmsituation mit geeigneten Maßnahmen zu verbinden. Für die Fortleitung der Informationen vom Ort der zentralen Auswerteeinheit bieten sich wiederum verschiedene Formen von Übertragungsprotokollen und andere zum Teil bekannte Methoden an.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die durch benachbarte Module gewonnenen Messdaten einer Plausiblitätsprüfung unterzogen, um so fehlerhafte Messwerte aussondern zu können. Auf diese Weise gibt es eine weitere Erhöhung der Sicherheit erfindungsgemäßer Systeme zur räumlich verteilten Messdatenerfassung. Bei Vorgabe von mindestens drei Übertragungswegen pro Messdatenerfassung lassen sich darüber hinaus Sicherheitsvorkehrungen treffen, die einen Ausfall eines einzelnen Übertragungsweges beziehungsweise die Generierung von Fehlern auf diesem Übertragungsweg durch Plausibilitätsprüfungen und Vergleiche mit den jeweils mindestens zwei verbleibenden Übertragungswegen erkennbar machen.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist die leichte Austauschbarkeit einzelner Module. Beispielsweise nach größeren Havarien, bei denen einzelne Module zerstört worden sind, die umliegenden dagegen weiter Messdaten liefern, ist es problemlos möglich, kurz nach der Havarie im Zentrum der havarierten Zone neue Module zu installieren, die über die erfindungsgemäße Initialisierung problemlos in das bestehende Sensornetzwerk integriert werden können. In Kombination mit einem GPS-System ist es weiterhin möglich, ein der artiges Modulsystem durch seine schnelle Ausbringbarkeit in Geländeabschnitten zu platzieren, in denen weder andere Installationsmöglichkeiten bestehen noch weitere Positionsinformationen ableitbar sind.
  • An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen:
  • 1 eine beispielhafte räumliche Anordung erfindungsgemäßer Module um eine zentrale Ausswerteeinheit,
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einem eingebundenen mobilen Teilnehmer,
  • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit ereignisgesteuerter Messdatengewinnung,
  • 4 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls,
  • 5 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls mit erweiterten Steuermöglichkeiten.
  • 1:
  • In zufälliger Anordnung sind erfindungsgemäße Module 19, im Folgenden auch als Sensoren bezeichnet, um eine als Master 10 fungierende zentrale Auswerteeinheit gruppiert. Die Zahl der Module kann nahezu beliebig variiert werden.
  • Zunächst werden die Abläufe in einem erfindungsgemäßen System, die zur Ausbildung eines redundanten Sensornetzes führen, bei normalem Messbetrieb beschrieben.
  • Das Ziel besteht darin, dass jedem Sensor 19 zwei Pfade zum Master 10 bzw. einer zentralen Auswerteeinheit zur Verfügung stehen. Mehr als zwei Pfade sollen nicht zugelassen werden, um das Datenaufkommen möglichst gering zu halten. Der Netzaufbau erfolgt in Form einer Initialisierung in mehreren Schritten.
  • Schritt 1:
  • Der Master 10 muss alle beteiligten Sensoren 19 kennen, dazu werden Identnummern und die Orte bzw. temporäre Messplätze der Sensoren 19 in das Mastersystem eingegeben. Anhand eines Gebäudeplans wird bei statonären Anlagen eine erste Überprüfung dahingehend durchgeführt, ob aufgrund seiner Position ein Sensor im Funknetz nicht erreichbar sein könnte.
  • Für zusätzliche mobile Teilnehmer (Wartungspersonal mit Sensor), sind spezielle Bereiche von Identnummern reserviert.
  • Die Signalweiterleitungsbetriebsarten, die es einzelnen Modulen ermöglichen, gleichzeitig als Sensor und Repeater zu arbeiten, sind zunächst bei allen Sensoren deaktiviert, was durch eine Standardeinstellung sichergestellt sein kann. Eine Antwortverzögerung und eine Weiterleitungsverzögerung sind ebenfalls nicht aktiviert.
  • An jede Identnummer ist jedoch eine sensorspezifische Weiterleitungsverzögerung gekoppelt, die der Sensor bei Aktivierung der Weiterleitungsverzögerung dann abwartet, bis er Daten anderer Sensoren, selbst gemessene Daten mit Kennung und eine Zeitsynchroninformation weitergibt. Die Verzögerungszeiten auf Basis der Identnummer sind für den Alarmfall ausgelegt.
  • Schritt 2:
  • Der Master 10 "ruft" der Reihe nach alle Sensoren 19, zuerst die örtlich naheliegenden Sensoren. Im Beispiel sind das die Sensoren 1, 2, 3 und 4. Dann werden die entfernt liegenden Sensoren 59 abgefragt.
  • Die Sensoren antworten in diesem Schritt alle direkt, die Signalweiterschaltung ist noch ausgeschaltet.
  • Dadurch erkennt der Master 10, welche der bei ihm angemeldeten Sensoren nicht direkt bidirektional mit ihm kommunizieren können.
  • Schritt 3:
  • Der Master 10 "ruft" selektiv die Sensoren, die in Schritt 2 direkt geantwortet haben.
  • Dabei aktiviert er den Weiterleitungsmodus mit Weiterleitungsverzögerung ohne Antwortverzögerung. Das heisst, der jeweilige Sensor antwortet direkt, die anderen Sensoren empfangen, wie auch der Master, das Antwortsignal und senden dieses verzögert unter Hinzufügung von einem Orts- und Zeitstempel weiter.
  • Der Master erhält somit die Antwort eines Sensors im direkten Empfangsbereich mehrfach, einmal direkt und dann sensortypisch unterschiedlich zeitverzögert indirekt.
  • Damit weiß der Master, über welche Wege die Sensoren im direkten Umkreis mit ihm kommunizieren können und kann den Sensoren ihre spezifischen direkten oder indirekten Pfadkombination zuweisen.
  • Schritt 4:
  • Falls für jeden der direkt im Umkreis liegenden Sensoren 14 auf mehreren möglichen Pfaden (>2) eine Rückantwort kam, so kann vor einer Festlegung der zu benutzenden Pfade noch ein Schritt zwischengeschaltet werden, bei dem Messungen zur Signalempfangsqualität mit hinzugezogen werden.
  • Dazu wird der Schritt 3 derart wiederholt, dass in einem Schritt A der Master 10 seine Sendeleistung halbiert und die Sensoren zur Antwort auffordert und dann hört, welche Sensoren noch antworten.
  • In einem Schritt B fordert er die Sensoren auf, mit ihrer halben Sendeleistung die Antwort zu senden, bzw. die Daten weiterzuleiten.
  • Eine Alternative ist die Auswertung von Feldstärkeinformationen am Empfänger. Die Sensoren können z.B. das RSSI (Received Signal Strength Indication), welches unter anderem viele HF-Bausteine bereitstellen, zusätzlich mit in die Antwort zu Orts- und Zeitstempel hinzufügen.
  • Der Master kann seinerseits auch diese Technik nutzen, um die Qualität verschiedener Funkpfade eines Sensors zu bewerten.
  • Damit können ungünstige Pfade erkannt werden und für jeden Sensor optimale Pfade ausgewählt werden.
  • Schritt 5:
  • In diesem Schritt werden jedem Sensor Pfadinformationen, die spezifische Antwortverzögerungszeit und die Weiterleitungsverzögerungszeit übermittelt, d.h. es wird z.B. eine Routing-Tabelle erstellt und übertragen. Daraus ergibt sich, mit welcher Verzögerung von Antwort und Weiterleitung der einzelne Sensor Signale von anderen Sensoren weiterleitet und ob einzelne Pfade freigeben oder gesperrt werden.
  • Die Antwortverzögerung und die Weiterleitungsverzögerung für den Alarmbetrieb werden für die Sensoren eingeschaltet, für die die Kommunikationsparameter ermittelt worden sind und in der Routingtabelle vollständig eingetragen sind.
  • Schritt 6:
  • Wenn alle Sensoren im direkten Empfangsbereich erfasst sind, werden Schritt 2 bis Schritt 5 wiederholt, bis für alle bekannten, auch die entfernten Sensoren im Aussenbereich des Sensornetzwerkes die Kommunikationsparameter ermittelt sind.
  • Für temporär-stationäre Anwendungen, beispielsweise bei Wartungsarbeiten, wird dem Anwender mit Hilfe der Routing-Tabelle ein Hinweis gegeben, falls einige Sensoren/Module örtlich anders positioniert oder zusätzliche Module integriert werden müssen, um das Netzwerk in Betrieb nehmen zu können.
  • Danach ist das modulare System als Sensor-Netzwerk für den Betrieb konfiguriert. Die Kommunikation der Sensoren ist zeitlich so aufeinander abgestimmt, dass es keine Datenkollisionen am Master gibt. Es ist sichergestellt, dass die Kommunikation für den Alarmfall funktioniert. Vorteilhafterweise wird während der Initialisierungsphase der Alarmbetrieb so getestet, dass sich alle Module im Alarmzustand befinden. Ein mobiler Teilnehmer hat zur Kollisionsvermeidung eine feste Kopplung über die Identnummer mit einem ihm zugeordneten für ihn reservierten Zeitschlitz. Mobile Teilnehmer werden in der Routingtabelle vorteilhafterweise wie Sensoren behandelt, die eine Alarmsituation detektieren. Für den Normalbetrieb kann der Zeittakt verlangsamt werden.
  • Anhand der Routing-Tabelle wird ein Weiterleitungsverfahren unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Anzahl mobiler Teilnehmer für den Normal-Betrieb errechnet und initialisiert. Das ermöglicht eine Herabsetzung des Kommunikationstaktes auf den Normaltakt, was in einem Schritt 7 durch eine Umschaltung auf Normaltakt realisiert wird.
  • Die Sensoren leiten im Normalbetrieb die Messdaten anderer Sensoren zusätzlich zu ihren eigenen Messdaten und Orts- und Zeitstempel mit weiter.
  • Im Gegensatz zum Normalbetrieb, bei dem jeder Sensor seine eigenen Messdaten mit hinzufügt, wird im Alarmfall nur die Weiterleitungsfunktion der Sensorknoten verwendet, eigene Messdaten werden nur dann hinzugefügt, wenn der Sensorknoten auch selbst im Alarmzustand ist.
  • Im Alarmfall wird dazu zusätzlich auf einen schnelleren Kommunikationstakt umgeschaltet.
  • Diese schnellere Taktrate ist während der Initialisierung getestet und eingestellt worden.
  • Die Einbindung mobiler Teilnehmer am jeweils nächstliegenden Messknoten erfolgt wie im Alarmbetrieb, jedoch ohne die Taktfrequenz zwingend zu erhöhen. Da stets Informationen übermittelt werden, an welchem Messknoten die Einbindung des mobilen Teilnehmers gerade erfolgt, kann auch bei der langsamen Taktung des Normbetriebes die Position der mobilen Teilnehmer verfolgt werden, was einem Tracking im Rahmen der verfügbaren Positionsangaben gleichkommt. Vorteilhafterweise wird während der Initialisierung und/oder des Betriebes des modularen Systems ein Protokoll erstellt, das Zeit- und Ortsinformationen von definierten Prüfzuständen enthält. Die darin enthaltenen Daten können später jederzeit für eine Nachinitialisierung verwendet werden. Definierte Prüfzustände sind beispielsweise durch Sendeleistungen, Empfangspegel und andere die Kommunikation beeinflussende Parameter charakterisiert.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit einem eingebundenen mobilen Teilnehmer 11. Das System ist vollständig initialisiert und einsatzbereit. Es besteht aus fünf Modulen 1216, die jeweils als Sensor und Repeater wirken können, über eine Schnittstelle zur Einbindung weiterer Teilnehmer verfügen und jeweils über zwei Pfade mit einer zentralen Auswerteeinheit 17 kommunizieren können. Über eine Funkschnittstelle des Moduls 13 ist ein mobiler Teilnehmer 11 in das System eingebunden, dem dadurch ebenfalls zwei Wege für eine Kommunikation mit der zentralen Auswerteeinheit 17 zur Verfügung stehen. Der Übertragungsweg zwischen dem mobilen Teilnehmer und dem Modul 13 ist jedoch nicht redundant angelegt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems mit ereignisgesteuerter Messdatengewinnung. Das System ist ähnlich dem vorherigen Beispiel aufgebaut und vollständig initialisiert. Nach der Initialisierung kann bei einem derartigen System allerdings auf die Übermittlung von Messdaten zur zentralen Auswerteeinheit 20 verzichtet werden, wenn keiner der Sensoren einen Zustand detektiert, der eine Datenübermittlung erfordert. Eine höhere Betriebssicherheit lässt sich jedoch realisieren, wenn die Funktionalität trotzdem in regelmäßigen Intervallen, beispielsweise in einem langsam getakteten Standby-Modus, überwacht wird. Erst nach der Detektion eines Zustandes, der eine Datenübermittlung erfordert, beispielsweise dem Auftreten einer Schadstoffwolke 21, werden zumindest entsprechende Pfade oder das gesamte Netz auf einen schneller getakteten Alarmbetrieb umgeschaltet und eine Datenübermittlung aufgenommen.
  • Dargestellt ist ein Zustand mit zwei in einer Schadstoffwolke 21 befindlichen Sensoren 22, 23. Die von diesen Sensoren 22, 23 erfassten Daten werden zur zentralen Auswerteeinheit 20 übermittelt, wobei die Module 25, 27, 29 als Repeater in Übertragungspfade eingebunden sind, die mit einer höheren Taktfrequenz betrieben werden. Von den Modulen 24, 26, 28 werden in diesem Zustand lokale Messdaten und von anderen Modulen gesendete Daten nur mit niedriger Taktfrequenz übertragen. Ändert sich die Position der Schadstoffwolke, können weitere Sensoren Messdaten mit höherer Taktfrequenz versenden und weitere Übertragungswege im Alarmtakt betrieben werden. Auf diese Weise lässt sich die Position und die Bewegungsrichtung einer Schadstoffwolke bei gleichzeitiger Überwachung der Schadstoffkonzentrationen durch einen ständigen Vergleich mit kartografischen Daten in einer Auswerteeinheit 17 genau überwachen.
  • 4 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls. Ein derartiges Einzelmodul besteht aus einem Gehäuse 30, in dem ein elektrochemischer Gassensor als Mittel 31 zur Gewinnung von Messdaten, ein Sender als Mittel 32 zum Versenden der Messdaten per Funk, ein Empfänger als Mittel 33 zum Empfang von anderen Einheiten gesendeter Daten und ein Mittel 34 zur Generierung eines Zusatzinformationen enthaltenden versendbaren Codes angeordnet sind. Sender und Empfänger bilden gemeinsam einen Repeater 35.
  • 5 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls mit erweiterten Steuermöglichkeiten. Das Modul ist zusätzlich mit einer Steuereinheit 36 ausgestattet, die es ermöglicht, dass dem Modul eine Masterfunktion zugewiesen wird. Zusätzlich ist das Modul mit einer Stelleinheit 37 zur Einstellung der Sendeleistung und einer Messeinheit 38 zur Messung des Empfangspegels ausgestattet.

Claims (30)

  1. Modulares System zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten, umfassend mehrere Module, die jeweils mindestens ein Mittel (31) zur Gewinnung von Messdaten, ein Mittel (32) zum Versenden der Messdaten per Funk, ein Mittel (33) zum Empfang von anderen Einheiten gesendeter Daten sowie Mittel (34) zur Generierung eines Zusatzinformationen enthaltenden versendbaren Codes enthalten, wobei das Mittel (32) zum Versenden der Messdaten und das Mittel (33) zum Empfang von anderen Einheiten gesendeter Daten gemeinsam als Repeater (35) fungieren.
  2. Modulares System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzinformationen enthaltende Code eine Information enthält, die ein sendendes Modul identifiziert.
  3. Modulares System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzinformationen enthaltende Code eine Information enthält, welches Modul die versendeten Messdaten gewonnen hat.
  4. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzinformationen enthaltende Code eine Information enthält, ob an Ort des Moduls eine Alarmsituation besteht.
  5. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sender der einzelnen Module während der Gewinnung der Messdaten zumindest zeitweise in einem Ruhezustand befinden.
  6. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Gewinnung von Messdaten zumindest in einigen Modulen elektrochemische, optische oder pyroelektrische Gassensoren umfasst.
  7. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein als Master fungierendes Modul enthalten ist, das Mittel für eine Sammlung der durch die einzelnen Module gewonnenen und/oder versendeten Daten aufweist und das den Sendebetrieb der einzelnen Module koordiniert und/oder initialisiert.
  8. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul so aufgebaut ist, dass es als Sensor zur Gewinnung von Messdaten, als Repeater zur funkgestützen Weiterleitung empfangener Daten und als Master für die Sammlung der durch die einzelnen Module gewonnenen und/oder versendeten Daten und für die Koordinierung des Sendebetriebes und die Initialisierung des Systems fungieren kann, wenn ihm die jeweilige Funktion zugewiesen wird.
  9. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung eingestellt und/oder ferngesteuert werden kann.
  10. Modulares System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangspegel gemessen werden können.
  11. Verfahren zur Gewinnung von Messdaten in einem Bereich mit Hilfe eines modularen Systems gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module in dem Bereich angeordnet werden, eine zentrale Auswerteeinheit als Master fungiert, der Master in einem Initialisierungsschritt festlegt, welche Module als Sensor und/oder Repeater fungieren sollen, wobei die Festlegung der Funktion der einzelnen Module so erfolgt, dass alle Messdaten, die von einem Modul gewonnen werden, den Master mindestens auf zwei Übertragungswegen erreichen.
  12. Verfahren zur Gewinnung von Messdaten in einem Bereich mit Hilfe eines modularen Systems gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module in dem Bereich angeordnet werden, eine zentrale Auswerteeinheit als Master fungiert, der Master in einem Initialisierungsschritt festlegt, welche Module als Sensor und/oder Repeater und/oder als weitere Master fungieren sollen, wobei die Festlegung der Funktion der einzelnen Module so erfolgt, dass alle Messdaten, die von einem Modul gewonnen werden, den Master mindestens auf zwei Übertragungswegen erreichen.
  13. Verfahren zur Gewinnung von Messdaten in einem Bereich mit Hilfe eines modularen Systems gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module in dem Bereich angeordnet werden, wobei mindestens ein Modul als Master fungiert, der Master in einem Initialisierungsschritt festlegt, welche Module als Sensor und/oder Repeater und/oder als weitere Master fungieren sollen, wobei die Festlegung der Funktion der einzelnen Module so erfolgt, dass alle Messdaten, die von einem Modul gewonnen werden, den Master mindestens auf zwei Übertragungswegen erreichen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Übertragungswege auf eine Zahl größer 2 festgesetzt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Gewinnung der Messdaten eine feststehende Anzahl von Sensoren und Repeatern initialisiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Gewinnung der Messdaten weitere stationäre oder mobile Module in das System einbezogen werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbeziehung kartografischer Daten und der Auswertung der Position, an der jeweils die Einbindung der mobilen Module erfolgt, ein Tracking der mobilen Module durchgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass versendeten Messdaten ein Code hinzugefügt wird, der zumindest Informationen darüber enthält, welches Modul die Messdaten gewonnen hat.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass weitergeleiteten Daten ein Code hinzugefügt wird, der zumindest Informationen darüber enthält, welches Modul die Daten weitergeleitet hat.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass versendeten Messdaten bei Vorliegen eines Alarmzustandes ein Code hinzugefügt wird, der zumindest Informationen darüber enthält, dass ein Alarmzustand vorliegt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung der einzelnen Module so eingestellt wird, dass eine bidirektionale Nutzung der Übertragungsstrecken möglich ist.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung der einzelnen Module so eingestellt wird, dass eine festgelegte Anzahl von Übertragungswegen zwischen den einzelnen Modulen und der zentralen Auswerteeinheit genutzt werden kann.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung der einzelnen Module so eingestellt wird, dass mindestens zwei Übertragungswege zwischen den einzelnen Modulen und der zentralen Auswerteeinheit genutzt werden können.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung der einzelnen Module auf maximal 10 mW eingestellt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 90% eines Überwachungszeitraumes zur Datengewinnung und höchstens 10% für die Datenübertragung genutzt werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in Alarmsituationen mit einem höheren Abfragetakt gearbeitet wird, als im Normalbetrieb.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei Inbetriebnahme eines modularen Systems zur Gewinnung und funkgestützten Weiterleitung von Messdaten nach Anspruch 1 eine Initialisierung entsprechend der Schritte 1 bis 7 des Ausführungsbeispiels durchgeführt wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Initialisierungsphase der Alarmbetrieb so getestet wird, dass sich alle Module im Alarmzustand befinden.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass während der Initialisierung und/oder des Betriebes des modularen Systems ein Protokoll erstellt wird, das Zeit- und Ortsinformationen von definierten Prüfzuständen enthält.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitung der Daten im Alarmbetrieb mit einer höheren Taktrate erfolgt als im Normalbetrieb.
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