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Die
Erfindung betrifft ein Funk-Steuerungssystem mit einer wenigstens
einen Funktransceiver und einen Mikrocontroller aufweisenden Basisstation und
mit mehreren Sensor-/Aktormodulen,
die jeweils einen mit dem wenigstens einen Funktransceiver der Basisstation
eine drahtlose Datenübertragung
ermöglichenden
eigenen Funktransceiver enthalten, und mit Mitteln zur Übertragung
von zeitversetzten Datenblöcken
(TDMA-Übertragung).
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Ein
derartiges, auf der TDMA-Technologie beruhendes Funk-Steuerungssystem,
das Sensoren und Aktoren aufweist, ist beispielsweise aus der
DE 101 53 462 A1 bekannt.
Dieses auch Zeitschlitzverfahren genannte TDMA-Datenübertragungsverfahren überträgt in einem
festgelegten Zeitraster nacheinander Datenblöcke von den Teilnehmern zur
Basisstation, wobei es sich bei den Teilnehmern um Sensormodule,
Aktormodule oder kombinierte Module handeln kann. Der Nachteil des
bekannten Verfahrens besteht darin, dass bei einer sehr großen Zahl von
mit der Basisstation kommunizierenden Teilnehmermodulen die Datenübertragung
insgesamt immer langsamer wird, wobei sich bei einer großen Zahl
von nacheinander zu übertragenden
Datenblöcken
auch Fehlübertragungen
ereignen können,
die insgesamt die Übertragungssicherheit
reduzieren.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Funk-Steuerungssystem
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das bei erhöhter Übertragungssicherheit
eine schnellere Übertragungsgeschwindigkeit
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Funk-Steuerungssystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Kombination
der Datenübertragung mittels
unterschiedlicher Frequenzen (FDMA-Verfahren) mit dem zeitversetzten
Datenübertragungsverfahren
(TDMA-Übertragung)
bei einer wesentlich größeren Anzahl
von Teilnehmern eine schnellere Datenübertragung möglich ist.
Dabei kann je nach Anwendungsfall und jeweiligen Vorgaben ein optimaler
Kompromiss zwischen einer geforderten Übertragungssicherheit und einer
schnellen Datenübertragung
gewählt
werden, indem das eine oder das andere Verfahren stärker eingesetzt
wird. Das erfindungsgemäße Funk-Steuerungssystem
ermöglicht eine
variable Skalierbarkeit unter Einhaltung gegebener Echtzeitbedingungen.
Ein Verdrah tungsaufwand enfällt
praktisch vollständig,
auch bei einer sehr großen
Anzahl von Sensor-/Aktormodulen, wobei Änderungen des Datenübertragungsverfahrens
zu einzelnen Modulen oder die Änderung
der Zahl der Module kein Problem darstellt, da der Mikrocontroller
in der Basisstation lediglich entsprechend umprogrammiert zu werden
braucht.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Funk-Steuerungssystems möglich.
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Zweckmäßigerweise
sind alle Sensor-/Aktormodule, die jeweils mit gleicher Übertragungsfrequenz
arbeiten, zur Übertragung
von zeitversetzten Datenblöcken
(TDMA-Übertragung)
mit dieser Übertragungsfrequenz
ausgebildet.
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Der
Mikrocontroller der Basisstation ist wenigstens zur Steuerung der
Datenübertragung
ausgebildet, insbesondere zur Programmierung der Datenübertragung
mit hinsichtlich der Anzahl und Ausführung variabel wählbaren
Sensor-/Aktormodulen. Hierdurch ist eine Optimierung des Funk-Steuerungssystems
je nach den Vorgaben Übertragungsschnelligkeit
und Übertragungssicherheit
einfach realisierbar.
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Jedes
Sensor-/Aktormodul besitzt zeckmäßigerweise
einen eigenen Mikrocontroller, der zur Kommunikation mit dem Mikrocont roller
der Basisstation über
die Funktransceiver ausgebildet ist. Die Mikrocontroller wenigstens
eines Teils der Sensor-/Aktormodule
besitzen vorteilhafterweise mehrere Anschlüsse für Sensoren und/oder Aktoren,
wodurch die Zahl der in das Funk-Steuerungssystem eingebundenen
Sensoren und Aktoren weiter vergrößert werden kann.
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Die
Mikrocontroller der Sensor-/Aktormodule können zweckmäßigerweise über eine Schnittstelle oder über Funk
von der Basisstation aus programmiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Mikrocontroller der Basisstation
zur Bildung von Anforderungssignalen und/oder Steuersignalen jeweils für alle Sensor-/Aktormodule
einer Übertragungsfrequenz
ausgebildet, wobei der Mikrocontroller jedes dieser Sensor-/Aktormodule
bei wenigstens einem angeschlossenen Aktor die Steuersignale an
diesen weiterleitet und bei wenigstens einem angeschlossenen Sensor
die Übertragung
von Sensordaten in einem festen Zeitraster (TDMA-Übertragung)
auslöst.
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Als
weiteren wichtigen Beitrag zur Vermeidung einer Verkabelung besitzt
wenigstens ein Teil der Sensor-/Aktormodule eine autarke Spannungsversorgung,
insbesondere durch Solarmodule oder mechanisch-elektrische Wandler.
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Die
Basisstation besitzt zweckmäßigerweise ein
Businterface zum Anschluss des Mikrocontrollers an einen externen
Datenbus, der insbesondere mit einer externen Steuerzentrale verbunden
ist. Dabei ist prinzipiell auch eine drahtlose Busverbindung mit der
externen Steuerzentrale möglich.
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Vorteilhafterweise
besitzt die Basisstation eine modulare Bauweise mit einer frei wählbaren
Anzahl von Funktransceivern, um eine einfache und schnelle Anpassung
auch bei sich ändernden
Gegebenheiten des gesamten Funk-Steuerungssystems vornehmen zu können.
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Zur
Datenübertragung
an unterschiedliche Gruppen von Sensor-/Aktormodulen können zweckmäßigerweise auch unterschiedlich
wirkende Antennen vorgesehen sein, insbesondere Antennen mit unterschiedlicher
Polarisierung. Dies trägt
zur weiteren Datenübertragungssicherheit
bei.
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Zur
Datenübertragung
zwischen der Basisstation und weiter entfernten Sensor-/Aktormodulen können auch
Funkzwischenstationen vorgesehen sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Basisstation, die drahtlos mit drei
Gruppen von Sensor-/Aktormodulen
mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen
zusammenwirkt und
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2 eine
detailliertere Darstellung eines Sensor-/Aktormoduls.
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Die
in 1 dargestellte Basisstation 10 enthält einen
Mikrocontroller 11 zur Steuerung und Überwachung der drahtlosen Datenübertragung
von und zu den drei Gruppen 12, 13, 14 von
Sensor-/Aktormodulen 15. Hierzu ist der Mikrocontroller 11 mit drei
Funktransceivern 16 bis 18 verbunden, die mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen
f1, f2 und f3 arbeiten. Es kann sich dabei um kommerziell verfügbare schmalbandige
Funktransceiver handeln. Typische Frequenzbänder hierzu sind beispielsweise die
ISM-Bänder
bei 2,45 GHz und 5,8 GHz oder 315 MHz, 433 MHz und 869 MHz. Zur Übertragung
sind die Funktransceiver 16 bis 18 jeweils mit
Antennen 19 bis 21 versehen.
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Der
Mikrocontroller 11 ist weiterhin mit einem Bus-Interface 22 verbunden,
an das ein Datenbus 23 anschließbar ist, der den Mikrocontroller 11 mit
einer externen Steuerzentrale verbindet. Von dort aus kann der Mikrocontroller 11 programmiert und
parametriert werden, wobei auch Daten übertragen und abgefragt werden
können,
z.B. zu Überwachungszwecken
oder zur Realisierung einer übergeordneten Steuerung.
Bei dem Datenbus 23 kann es sich beispielsweise um den
Profibus oder den Ethernet-Bus handeln. Eine Ethernet-Schnittstelle
oder generell das Bus-Interface 22 kann auch im Mikrocontroller 11 integriert
sein. Anstelle eines leitungsgebundenen Datenbusses kann auch ein
drahtloser Datenbus zur drahtlosen Datenübertragung zwischen Mikrocontroller 11 und
externer Steuerzentrale vorgesehen sein.
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Eine
Spannungsquelle 24 versorgt die elektrischen Komponenten
in der Basisstation 10 mit der erforderlichen Betriebsspannung.
Diese Spannungsquelle 24 kann an eine externe Versorgungsleitung 25 angeschlossen
sein oder die Basisstation 10 besitzt eine autarke Spannungsversorgung,
z.B. eine Solarzellenanordnung oder einen mechanisch-elektrischen
Wandler, zur Umwandlung von Frequenzen, Druckschwankungen oder Bewegungen
in eine elektrische Spannung.
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In 2 ist
ein Sensor-/Aktormodul 15 detaillierter dargestellt. Je
nach dem, ob ein oder mehrere Sensoren oder ein oder mehrere Aktoren
angeschlossen sind, kann es sich dabei um ein reines Sensormodul,
ein reines Aktormodul oder um ein gemischtes Modul handeln. In 2 ist
die Ausführung als gemischtes
Modul dargestellt. Ein im Sensor-/Aktormodul 15 enthaltener
Mikrocontroller 26 ist mit einem Aktor 27 zur
Steuerung desselben und einem Sensor 28 zum Abfragen von
Sensordaten verbunden. Die Zahl der angeschlossenen Aktoren bzw. Sensoren
ist selbstverständlich
nicht auf zwei beschränkt,
sondern kann variieren. Bei zwei weiteren Eingängen 29, 30 des
Mikrocontrollers 26 kann es sich beispielsweise um eine
RS232-Schnittstelle oder um einen digitalen Eingangsanschluss handeln. Hierdurch
kann der Mikrocontroller 26 beispielsweise programmiert
werden, wobei auch eine drahtlose Programmierung über den
Mikrocontroller 11 der Basisstation 10 möglich ist.
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Der
Mikrocontroller 26 ist weiterhin mit einem Funktransceiver 31 verbunden,
der mit den Funktransceivern 26, 28 identisch
sein kann oder auch einen anderen Aufbau besitzen kann. Dieser Funktransceiver 31 besitzt
eine Antenne 32 zur Datenkommunikation mit der Basisstation 10.
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Zur
autarken Strom- bzw. Spannungsversorgung besitzt das Sensor-/Aktormodul
eine Solarzellenanordnung 33, die über ein Versorgungsmodul 34 mit
den elektrischen Komponenten des Sensor-/Aktormoduls 15 verbunden
ist. Dieses Versorgungsmodul 34 enthält beispielsweise eine elektrische
Speicheranordnung, z.B. einen Kondensator oder ein Akku und kann
auch eine Anordnung zur Spannungsstabilisierung oder Spannungseinstellung enthalten. Alternativ
hierzu kann eine autarke Spannungsversorgung auch über einen
elektrisch-mechanischen Wandler erfolgen, wie er in Verbindung mit
der Basisstation 10 bereits erläutert wurde. Die mechanische Energie
kann er beispielsweise vom Aktor 27 beziehen. Falls eine
drahtgebundene Spannungsversorgung realisierbar ist, kann selbstverständlich auch eine
solche an Stelle der autarken Spannungsversorgung treten, oder die
einzelnen Sensor-/Aktormodule besitzen zum Teil eine autarke Spannungsversorgung
und zum Teil eine drahtgebundene Spannungsversorgung.
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Die
Zahl der Gruppen 12 bis 14 von Sensor-/Aktormodulen 15 hängt selbstverständlich von der
Zahl der Funktransceiver 16 bis 18 in der Basisstation 10 ab,
wobei diese Zahl nahezu beliebig wählbar ist. Die Basisstation 10 besitzt
einen modularen Aufbau, so dass auch noch nachträglich Funktransceiver mit unterschiedlichen
bzw. weiteren Frequenzen hinzugefügt werden können. Dabei können auch Funktransceiver
mit gleichen Übertragungsfrequenzen,
jedoch unterschiedlich ausgelegten Antennen vorgesehen sein, z.B.
Antennen mit horizontaler und vertikaler Polarisation, so dass hierdurch
ebenfalls eine gleichzeitige Datenübertragung möglich ist.
Die Zahl der Sensor-/Aktormodule 15 pro Gruppe ist ebenfalls
frei wählbar,
wobei im einfachsten Falle bei hoher Übertragungssicherheit ein Funktransceiver mit
nur einem Sensor-/Aktormodul 15 kom muniziert. Durch diese
variable Übertragungsstruktur
wird eine echtzeitfähige
Skalierbarkeit erreicht, und es ist eine Optimierung je nach Erfordernis
zwischen sicherer Datenübertragung
und schneller Übertragung
bzw. großer
Teilnehmerzahl möglich.
Der Mikrocontroller 11 in der Basisstation 10 kann
entsprechend programmiert bzw. umprogrammiert werden.
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Die
Datenübertragung
von Funktransceivern 16 bis 18 mit unterschiedlichen
Frequenzen oder unterschiedlich polarisierten Antennen kann gleichzeitig erfolgen
im sogenannten FDMA-Verfahren
(Frequency Division Multiple Access). Dem gegenüber erfolgt die Datenübertragung
zwischen einem Funktransceiver 16 bzw. 17 bzw. 18 und
einer Gruppe von Sensor-/Aktormodulen 15 gleicher Übertragungsfrequenz über das
sogenannte TDMA-Verfahren
(Time Division Multiple Access). Dieses TDMA-Verfahren wird auch als Zeitschlitzverfahren
bezeichnet und basiert auf der zeitlich nacheinander erfolgenden Übertragung
von Datenpaketen in einem festen Zeitraster. Die Mikrocontroller 26 der
Sensor-/Aktormodule 15 sind entsprechend programmiert und
warten auf ein Anforderungssignal seitens der Basisstation 10 um dann
in einem bestimmten Zeitfenster Daten zur Basisstation zu übertragen,
beispielsweise Sensordaten. Dies kann sofort oder nach gestaffelten
Zeitintervallen erfolgen, wobei jedes Sensor-/Aktormodul 15 einer
Gruppe auf ein anderes Zeitintervall festgelegt ist. Die Steuerdaten
für die
angeschlossenen Aktoren 27 werden von der Basisstation 10 innerhalb
einer Gruppe entweder gleichzeitig abgesandt, wobei jedes Sensor-/Aktormodul 15 eine
entsprechende Kennung besitzt, die das empfangene Steuersignal als zutreffend
identifiziert oder als nichtrelevant oder die Übertragung erfolgt ebenfalls
in Zeitrasterintervallen.
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Durch
die Adaptierbarkeit des Funk-Steuerungssystems an spezifische Applikationserfordernisse
in Verbindung mit dem modularen Prinzip hat der Anwender die Möglichkeit,
die Anzahl der Gruppen 12 bis 14 und die Anzahl
der Sensor-/Aktormodule 15 pro Gruppe frei zu wählen, wobei
im einen Extremfall die Basisstation 10 sehr viele Funktransceiver 16 bis 18 besitzt
und jeder nur mit einem Sensor-/Aktormodul 15 kommuniziert,
während
im anderen Extremfall die Basisstation 10 nur sehr wenige Funktransceiver 16 bis 18 besitzt
und jeder derselben mit einer sehr großen Zahl von Sensor-/Aktormodulen 15 im
TDMA-Verfahren kommuniziert.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Mikrocontroller 11, 26 in der Basisstation 10 und in
der Sensor-/Aktormodulen 15 direkt mit den Funktransceivern 16 bis 18 bzw. 31 verbunden.
Dabei ist es auch möglich,
dass die Funktransceiver 16 bis 18 bzw. 31 eigene
Logik- und Steuerfunktionen besitzen, so dass innerhalb der Komponenten
eine verteilte Logik vorliegt.
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Unter
einem Funktransceiver 16 bis 18 bzw. 31 kann
eine reine analoge Hochfrequenz-Signalverarbeitungseinheit mit oder
ohne A/D- bzw. D/A-Wandler oder eine komplette Sende/Empfangseinheit
inklusive Prozessor verstanden werden. Abstufungen hierbei sind
möglich.
Hier können
beispielsweise auch MIMO-Architekturen
zur Steigerung der Robustheit eingesetzt werden. Zum gleichen Zweck
bzw. zur Steigerung der Koexistenz-Fähigkeit
mit anderen Funksystemen können
als Funktransceiver auch Ultra-Wideband-Technologien eingesetzt
werden.
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Die
Funktransceiver bzw. Funktransceiver/Logik-Einheiten der Basisstation 10 können direkt
nebeneinander, z.B. auf einer Hutschiene oder einer gemeinsamen
Basisplatine angeordnet sein. Es ist jedoch auch eine räumlich voneinander
abgesetzte Anordnung möglich.
Werden sie direkt nebeneinander betrieben,. so ist es günstig, wenn
die Antennen 19 bis 21 einen minimalen Abstand
von λ/10 haben,
noch besser einen Abstand im Bereich von λ/4 bis 3λ/4, so dass Einbrüche in der Übertragung von
einem Sensor-/Aktormodul 15 zu einem Funktransceiver 16 bis 18 der
Basisstation 10 durch benachbarte Funktransceiver abgefangen
werden können.
Werden die Funktransceiver abge setzt voneinander betrieben, so können sie über Funk
oder Kabel miteinander verbunden sein.
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Bei
größeren Entfernungen
zwischen einem Sensor-/Aktormodul 15 und der Basisstation 10 können auch
dazwischen positionierte Funkzwischenstationen vorgesehen sein.