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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung
der Kommunikation bei Systemen mit energieautarken Teilnehmern,
insbesondere bei drahtlos vernetzten Systemen oder von Systemen
oder Systemteilen ohne Netzversorgung oder mit geringen, dem Bussystem
zu entnehmenden Energiemengen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei
Teilnehmern – physikalisch
Geräten – derartiger
Systeme handelt es sich oft um funkgesteuerte, batterie- oder umgebungsenergieversorgte Sensoren
oder Aktoren oder um Geräte
an einem verdrahteten Bussystem (Kupferleiter oder Glasfaserleitung),
wie z.B. einem Installationsbus, wo nur geringe Energiemengen pro
Teilnehmer dem Netz entnommen werden dürfen und die eine Gerätebereitschaft
aufweisen.
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Aus
der Konsumer-Elektronik, der Gebäudesystemtechnik
und anderen Technologien sind eine Vielzahl von Geräten bekannt,
wie z.B. Fernseh- und Phonogeräte,
diverse Abspielgeräte,
Bewegungsmelder, Geräte
der Sicherheitstechnik, etc., die bei nicht aktivem Betrieb in einer
Gerätebereitschaft – einem 'Schlaf-Zustand, -Modus,
Sleep mode' – verweilen,
bis sie durch ein internes oder externes Kommando wieder in den
Aktiv-Zustand treten. Ein internes Kommando kann ein abgefragter
Zählerstand oder
ein erreichter Temperaturzustand o.ä. sein, welches das entsprechende
Gerät veranlaßt, wieder
aktiv zu werden, um z.B. ein Zustands-Telegramm zu senden. Ein externes
Kommando kann z.B. durch den Tastendruck an einer Fernbedienung
veranlaßt sein.
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Diese
Geräte
werden vorwiegend – je
nach Anwendungsgebiet – direkt
am Versorgungsnetz oder indirekt über ein Netzgerät unterbrechungsfrei versorgt.
Bekannt ist weiterhin, daß auch
beim Schlaf-Zustand der Geräte
noch Ströme
im mA (Milli-Ampere)
-Bereich fließen
und – je
nach Spannungshöhe – einiges
an Energie dem Netz entnehmen.
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Bei
akkumulator- oder batteriegespeisten Geräten wird besonderer Wert auf
Schaltungen gelegt, die zwecks Gerätebereitschaft einen energiereduzierten
Schlaf-Zustand aufweisen, um einen schonenden und umweltverträglichen
Umgang mit Batterien zu gewährleisten
und die oft aufwendigen Batteriewechsel zu reduzieren.
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In
der Meß-,
Regel- und Automatisierungstechnik sowie in der Gebäudesystemtechnik
werden Geräte
nach ihrer Funktionalität
in abfragende/zustandsübermittelnde
Geräte,
wie Sensoren, und ausführende
Geräte,
wie Aktoren, klassifiziert. Aktoren sind anwendungsbedingt weitestgehend
mit einer Netzversorgung beaufschlagt. Die Geräte sind heute überwiegend
mit einer Schnittstelle zu einem Kommunikationssystem ausgerüstet und
werden übertragungsmäßig in sendende,
empfangende und sendende und empfangende Geräte eingeteilt, d.h. sie enthalten
hin zum Übertragungsmedium
einen Sender/Transmitter oder einen Empfänger/Receiver oder einen Sender-Empfänger/Trans[mitter-Re]ceiver.
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Teilnehmer
an einem Bus bestehen aus den busabhängigen Teilen mechanische und
elektrische Ankopplung und der Übertragungssteuerung
sowie der busunabhängigen
Anwenderfunktion. Die Ankopplungseinheit stellt die mechanische
und elektrische Anpassung an das Übertragungsmedium sicher; die Übertragungssteuerung
stellt die logische Schnittstelle zwischen dem Busteilnehmer und
dem Bus dar und führt
alle Steuerungsabläufe
durch, wie Nachrichten vom Bus aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten
oder selbst Übertragungen über den
Bus zu weiteren Teilnehmern durchführen.
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Um
Kollisionen bei gleichzeitigen Kommunikationswünschen von Busteilnehmern zu
vermeiden, wird das Übertragungsmedium
zeitlich gestaffelt den Teilnehmern zur Verfügung gestellt nach dem Zeitmultiplexverfahren
mit einer Zuteilung nach festem Zeitraster oder nach dem ökonomisch
sinnvolleren bedarfsabhängigen
Zuteilungsverfahren. Wurde einem übertragungswünschenden
Teilnehmer der Bus zugeteilt, wird dieser Teilnehmer für die Zuteilungszeit
Master am Bus. Es gibt nur einen Master am Bus; mit dem Mastertransfer
wird ein anderer Teilnehmer Master. Die Teilnehmer, die vom steuernden
Master angesprochen werden, werden als Slave bezeichnet; die Kommunikationsbeziehung
wird auch Master/Slave-Beziehung genannt.
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Zu
ergänzen
ist noch die Richtung des Datentransfers bezogen auf die steuernde
Einheit, den Master; es gibt sowohl lesende als auch schreibende Zugriffe.
Bei der Schreiboperation werden die Daten vom Master auf den Bus
gesendet; der Master ist Talker, der Slave ist Listener. Bei der
Leseoperation kehren sich die Verhältnisse um, der Master ist
Listener, der Slave ist Talker (Lit.: Georg Färber, Bussysteme, Oldenbourg,
München).
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Hoch
(230 VAC/50 Hz)- und/oder niederspannungsversorgte (24 ... 3 VDC,
etc.) sendende Sensoren und empfangende Aktoren sind nicht Gegenstand
der weiteren Betrachtung, wie auch busversorgte und/oder batteriegespeiste
Geräte.
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In
einer neuen Klasse von Anwendungen in Automobil-, Gebäude-, Medizin-,
Produktions- und Transporttechnik sind Geräte bekannt geworden, die ihre
Energie aus der Energie ihrer unmittelbaren Umgebung, wie durch
Kraft, Vibration, Licht, Wärme, Druck,
etc., beziehen. Beispielhaft sei hier ein batterieloser, wartungsfreier
Funksensor, Funkschalter für Licht
und Jalousie, mit Energiewandlung und -speicherung, Mikrokontroller,
Meßfühler, Zeitsteuerung und
HF (Hochfrequenz)-Sender genannt, der seine Energie durch den betätigenden
Tastendruck mittels Piezoeffekt – Piezoelektri zität einer
Quarzplatte – erzeugt
(Lit.: Armin Anders, EnOcean, Funktechnik ohne Batterien, Oberhaching).
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Sämtliche
Energieverbräuche
derartiger Geräte
sind auf das absolute Minimum reduziert. Jedoch besteht auch hier
für Geräte die Forderung
nach einer Geräte-Dauerbereitschaft
in Form eines Schlaf-Zustands. Zu diesem Zweck werden die Geräte – abhängig von
den Energieverbräuchen – z.B. mit einer
Solarzelle ausgerüstet,
die einen Akkumulator oder einen Speicherkondensator als elektrischen Zwischenspeicher
auflädt.
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Während Sensor-Gerate
zyklisch oder werte- oder zustandsgesteuert kommunizieren und somit einen
nur geringen Stromverbrauch für
die Gerätebereitschaft
benötigen,
weisen Zentraleinheiten und Aktoren eine Geräte-Dauerbereitschaft auf, die
energieträchtig
ist.
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Bus-
und insbesondere funkbusgesteuerte energieautarke Aktor-Geräte stellen
keine Energie für
die Geräte-Dauerbereitschaft
zur Verfügung.
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Im
folgenden wird der Stand der Technik bezogen auf die Kommunikation
energieautarker Systeme gewürdigt.
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Nach
dem Stand der Technik, deutsche Patentanmeldung
DE 10 2006 026 417 , wird ein
bus- auch funkbusgesteuerter Heizkörperstellantrieb vorgestellt,
dessen auf das Heizkörperventil
wirkender Antrieb aus einem elektrochemischen Aktor, die Energiespeicherung
aus einem Akkumulator oder Speicherkondensator und die Energieerzeugung
aus einer verstell- und ausrichtbaren Solarzelle besteht. Es ist
vorgesehen, daß die
Energieversorgung des Geräts
autark erfolgt. Die mechanische Ventilverstellung erfolgt über den
sich – indirekt über den
Akkumulator und die Solarzelle – auf- oder entladenden
Aktor.
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Weiterhin
enthält
das Gerät
eine bidirektionale Funkschnittstelle, Transceiver, die die Kommunikation
mit einem Raumkontroller aufrechterhält, der wiederum die Raumtemperaturwerte
sensorisch abfragt und aus Differenztemperaturwerten Verstellkommandos
für die
Ventilsteuerung ableitet.
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Die
Beschreibung der Kommunikationsschnittstelle sowie die Gerätebereitschaft
werden nicht vertieft dargestellt.
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Gemäß der deutschen
Offenlegung
DE 197 24 769 wird
ein energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion
unerwünschter Wärmeentstehung
vorgestellt. Ziel der Applikation ist die Erkennung unerwünschter
Wärmeentstehung, wie
z.B. in Lagern, Anlagen oder Fabrikationseinrichtungen, zwecks Vermeidung
von erheblichen Folgeschäden.
Die Detektion der Wärmeentstehung
erfolgt durch einen Niederleistungs-Thermogenerator, der thermische
direkt in elektrische Energie umwandelt. Sobald im Rahmen einer
Havarie Wärme
und damit elektrische Energie entsteht, wird die Folgeelektronik mit
Funksender aktiviert, der Informationen über den Schadenfall an den
Empfänger übermittelt.
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Eine
stromlose Gerätebereitschaft
ist durch den Thermogenerator gegeben, der auf Grund einer anliegenden
Temperaturdifferenz wie ein Schalter mit Spannungsversorgung arbeitet.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 53 278 offenbart eine Reifenmessung
mit einem energieautark modulierten Backscatter-Transponder, um Reifenparameter
für die
Berechnung der Fahrdynamik, wie z.B. Reifendruck, Temperatur und
Reifen/Fahrbahn-Kraftschluß,
zu übertragen.
Beim rollierenden Reifen ergeben sich wandelbare Energieformen durch
Vibrations-, Schall- und/oder Ultraschallsignale sowie mechanische
Kräfte
und Verformungen durch die Drehbewegung des Rads, die zur Messung
und/oder zur Funk-Datenübertragung
von Meßgrößen genutzt
wird. Mittels eines Schall- bzw. Piezowandlers wird die akustische
bzw. mechanische Energie in ein elektrisches Wechselsignal gewandelt
zwecks Betreiben von Sensoren, die ihren Zustand bzw. Zustandsänderungen
per Funk übermitteln.
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Die
internationale Anmeldung
WO
2004 21 509 /deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 39 303 beschreiben die Offenbarung
des energieautark modulierten Backscatter-Transponders für allgemeine
Anwendungen.
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Die
internationale Anmeldung
WO
2005 107 179 /deutsche Offenlegung
DE 10 2004 021 385 bezieht sich
auf ein Datenkommunikationsnetzwerk mit einer Mehrzahl von Netzknoten,
die jeweils einen oder mehrere Kommunikations-Ports und eine Knoten-Identifikation aufweisen
und darauf angelegt sind, Verbindungen untereinander dezentral zu
verwalten und Datenpakete zu übertragen,
wobei die Datenpakete eine Header-Information über die Knoten-Identifikation
des paketerzeugenden Netzknotens enthalten.
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Restriktionen,
wie beim Erfindungsgegenstand vorliegend, sind hier nicht gegeben.
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In
der europäischen
Patentschrift
EP 808 488 /deutsche
Patentschrift
DE 696 22 844 wird
eine Kommunikationsmanagement-Vorrichtung und -verfahren und Telekommunikationssystem
mit einer Managementvorrichtung beschrieben. Es handelt sich hierbei
um die Beschreibung eines umfangreichen Telekommunikationssystems
aus steuernden und gesteuerten Systemen.
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Eine
auch nur nahe Verwandtschaft zu dem vorliegenden Problem scheidet
aus.
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Gemäß der europäischen Schrift
EP 709 994 /deutsche Patentanmeldung
DE 695 24 922 wird ein
Kommunikationsmanagement zwischen Client- und Server-Prozessen offenbart.
Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Netzkommunikationen und
insbesondere auf ein Verfahren, um auf effiziente Art und Weise
Remote Control Procedure Calls zwischen Client- und Server-Prozessen
in einem Computernetzwerk zu verwalten, wenn diese Prozesse auf
demselben Host unterstützt
werden. Vorgestellt wird ein Verfahren, um die Kommunikation zwischen einem
Client- und einem Server-Prozeß in
einer verteilten Computerumgebung nach dem 7-Ebenen-Modell zu verwalten.
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In
der internationalen Applikation
WO
2002 21 812 /europäische
Anmeldung
EP 1 316 198 wird ein
kundenorientiertes Kommunikationsmanagement für die gemeinsame Nutzung einer
Telefon-Vermittlungsstelle offenbart.
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Auch
hier wird ein Zusammenhang zu der oben beschriebenen Problematik
nicht deutlich.
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Die
vorgestellten Applikationsbeispiele eignen sich nicht oder nur bedingt
als Lösung
für die
Geräte-Dauerbereitschaft
von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die Geräte-Dauerbereitschaft
von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten unter
Vernachlässigung
obiger Nachteile zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
zeigen die Figuren und nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Ziel
ist die Schaffung eines Verfahrens und der Aufbau einer Einrichtung
für die
Geräte-Dauerbereitschaft
von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten, die
bei möglichst
universellem Einsatz und vorgesehenem Verwendungszweck mit einem
minimalen Aufwand an Mechanik und Teilen auskommen und mit oben
beschriebenen Vorteilen eines solchen Aktors ausgestattet sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird daher vorgeschlagen, ein neues Kommunikationsmanagement
für Aktor-Geräte einzuführen und
die Geräte-Dauerbereitschaft
bus- und insbesondere funkbusgesteuerter energieautarker Aktor-Geräte auf andere
angeschlossene Teilnehmer des Bussystems zu verteilen. Auf Grund
des neuen Kommunikationsmanagements entfällt der stromzehrende Unterhalt
der Warteschleife, des Schlaf-Zustands.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstands sind in den Figuren dargestellt und werden
im folgenden näher
erläutert.
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Es
zeigt den systematischen Aufbau und das Zusammenwirken des Kommunikationsmanagements
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1 von
Sensor und Aktor in allgemeiner Darstellung
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2 von
Sensor und Aktor in anwendungsorientierter Darstellung
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3 von
energieautarkem Aktor-Gerät
und Zentraleinheit.
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Gleiche
und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den
Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen bzw. -namen versehen.
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1 zeigt
in einer Prinzipskizze den Aufbau und die Ablaufsteuerung einer
Sensor-/Aktor-Schnittstellenverbindung. Der Sensor und der Aktor
haben – bezogen
auf das Bussystem bzw. das Übertragungssystem – je einen
Sender und Empfänger.
Beide Geräte
sind mit einer Kommunikationsschnittstelle zum Übertragungssystem ausgerüstet. Beide
Geräte – Sensor
und Aktor – werden
elektrisch fremd versorgt.
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Es
wird angenommen, daß beide
Geräte
sich in Dauerbereitschaft befinden. Je nach Aufgabenstellung und
Funktion des Sensors – Druck-,
Helligkeits-, Temperaturüberwachung,
Feuchte-, Niveauregelung, Alarmierung, etc. – und Aufbau des Sensors, sendet
dieser zyklisch oder nur bei eingestellter differentieller Änderung
Meßsignale
(Masterfunktion, Talker) an den Aktor (Slave, Listener). Dies erfolgt
durch Senden eines Übergabe-/Anforderungssignals
an den Aktor. Beim nächsten
freien Zeitfenster des Aktors fragt dieser das Signal an der Schnittstellenverbindung
ab. Der Aktor bereitet eine Datenübernahme vor – schaltet
die Wege zum Speicher frei – und
signalisiert dies der Sensorschnittstelle via Fertigmeldesignal.
Die Datenübertragung
der Meßsignale
des Sensors finden statt.
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In
einer weiteren Version ist es auch möglich, daß der Aktor nach Freischalten
des Datenflusses den Datentransfer des Sensors überträgt und übernimmt. Nach erfolgreicher Übernahme
durch Prüfung oder
wiederholter Sendung im Fehlerfall sendet der Aktor ein Fertigmeldesignal
an den Sensor und gibt die Schnittstellenverbindung wieder frei.
Diese Ablauforganisation findet bei Bussen statt, bei denen der
Master nur Talker sein kann. Zur Durchführung von Lese-Operationen überträgt der Master
(Aktor) eine Leseanforderung an den Slave (Sensor). Dieser Slave
fordert den Bus an, wird Master und schreibt die gewünschten
Daten an den ehemaligen Master, jetzt Slave (Aktor).
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Prinzipiell
befinden sich beide Geräte
in einer Geräte-Dauerbereitschaft,
beide Geräte
werden extern elektrisch versorgt; üblicherweise teilt der Sensor
die Änderung
seiner Meßwerte
durch eine Anforderung dem Aktor mit.
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Bild 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Sensor-/Aktor-Schnittstellenkommunikation nach obigem Wirkschema.
Der Sensor verfügt über einen
Sender; der Aktor über
eine Sende- und Empfangseinrichtung. Beide Geräte befinden sich in einer Dauerbereitschaft;
beide Geräte
werden extern elektrisch versorgt.
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Das
vorgestellte Prinzip arbeitet wie folgt. Der Aktor sendet zyklisch
einen kurzen Abfrage-, Sende- oder Synchronisationsimpuls an die
Schnittstelleneinrichtung des Sensor-Geräts zum Zwecke der Synchronisation,
d.h. der Aktor signalisiert die Bereitschaft zur Datenaufnahme (Master,
Listener). Der Sensor (Slave, Talker) erfaßt den Synchronisationsimpuls
und leitet daraufhin die Übergabe
der Information – den
Datentransfer – innerhalb
eines Zeitfensters nach der Synchronisation an den Aktor ein.
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Prinzipiell
befinden sich beide Geräte
in einer Geräte-Dauerbereitschaft,
beide Geräte
werden extern elektrisch versorgt; die Anforderung zum Datentransfer
erfolgt zyklisch vom Aktor ausgehend. Bei zeitlich schnell ablaufenden
Vorgängen
erhöht
sich entsprechend die Abfragerate. Ist das Übertragungsmedium eine Funkstrecke
muß die
Energie über
den Aktor bereitgestellt werden.
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3 zeigt
den systematischen Aufbau und das Zusammenwirken des Kommunikationsmanagements
von bus- und insbesondere funkbusgesteuertem energieautarken Geräte-Aktor
und Zentraleinheit. Die Zentraleinheit besitzt ein dem Übertragungsmedium
angepaßten
Sender und Empfänger. Die
Zentraleinheit wird elektrisch fremd versorgt und befindet sich
in Geräte-Dauerbereitschaft.
Es wird weiterhin vorausgeschickt, daß die Zentraleinheit von einem
angeschlossenen Sensor Meßdaten
erhält.
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Der
Energieverbrauch des energieautarken Aktors ist auf minimalen Energieverbrauch
eingerichtet und kann daher nicht mit einer Warteschleife für den Schlaf-Zustand ausgestattet
sein. Vor allem könnte
der Energieaufwand im Fall des Funkbusbetriebs beim energieautarken
Aktor nicht bereitgestellt werden.
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Daher
wird für
den bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Geräte-Aktor vorgeschlagen,
den Aktor (Master, Listener) dahingehend zu befähigen, im Fall einer anstehenden
Meßwertübertragung
selbst einen kurzen Sende- und Abfrageimpuls zum Empfänger zu
senden – hier
die Zentraleinheit (Slave, Talker). Der Sende- und Abfrageimpuls
dient der Synchronisation, daß innerhalb
eines Zeitfensters nach der Synchronisation die Übernahme der Information von
der Zentraleinheit stattfindet. Der Datentransfer kann dann wiederum
vor und/oder nach der Sendung durch ein Freigabesignal seitens der
Zentraleinheit abgeschlossen werden.
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Eine
Ausprägungsform
der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Kommunikationsabläufe – wie sie
zuvor von einem Sensor wahrgenommen werden – hier auf den Aktor übertragen werden.
Der Aktor mit seinen ausführenden
Funktionen holt sich seinen nächsten
Arbeitsauftrag von der Zentraleinheit nach Synchronisation; aus
der 'Bring'-Funktionalität wird die 'Hol'-Funktion.
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Weiterhin
sieht die Erfindung vor, daß für die Sendung
eines Sende- und Abfrageimpulses bzw. die Übertragung eines Meßwerts Konditionen
gestellt werden. Je nach Applikation kann die Abfrage eines Meß- oder
Einstellwerts für
den Aktor zeitlich an der Aufgabenstellung ausgerichtet werden.
Dem Vorteil der Energieeinsparung steht ein nur geringer Nachteil
an Flexibilität
gegenüber,
der jedoch bei zeitlich trägen
Abläufen
nicht von Bedeutung ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Abfragehäufigkeit
und die Abfragedauer – neben
dem Anwendungsprofil des Aktors – in Abhängigkeit des Energiehaushalts
des Aktors gestaltet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das vorgestellte Verfahren
an kein Übertragungssystem
gebunden; es kann sowohl bei bedrahteten Bussystemen – wo die
Energieentnahme begrenzt ist – wie
auch bei Funk-Bussystemen oder Lichtleiternetzen – wo aus
dem Netz überhaupt
keine Energie zur Verfügung
steht – eingesetzt
werden.
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Die
vorgestellte erfinderische Neuheit ist an keine Protokollstruktur
des Übertragungssystems
gebunden; die Übertragungszeit
sollte minimal sein.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der
Anzahl der Schutzrechtsansprüche
wider.