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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme und zum Betrieb eines Funksystems, das mehrere mit einer Steuerzentrale in Wirkverbindung stehende Funkmaster-Module (FMM) und eine Vielzahl von mit den FMM über Funk kommunizierende Sensor-Aktor-Module (SAM) aufweist.
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Ein Funksystem, bei dem mehrere Sensor-Aktor-Module über Funk mit einer Basisstation kommunizieren, ist beispielsweise aus der
DE 10153462 A1 oder der
WO 2004/023419 A2 bekannt. Die Kommunikation erfolgt dabei über das auch Zeitschlitzverfahren genannte TDMA-Datenübertragungsverfahren, wobei die Übertragungsfrequenzen durch ein auch Frequenzhopping-Verfahren genanntes Verfahren wechseln können. Ein Problem bei solchen Funksteuerungssystemen beziehungsweise Funkübertragungssystemen ist in der Inbetriebnahmephase die Einrichtung des Systems als solchem, also die Zuordnung der einzelnen Sensor-Aktor-Module zu einem oder zu mehreren Funkmaster-Modulen beziehungsweise zu einer oder zu mehreren Basisstationen sowie die entsprechende Verteilung und Zuordnung der Übertragungsfrequenzen. Insbesondere bei großen Funknetzen kann dies zu einer arbeitsintensiven und dadurch teuren Einrichtung führen. Ein weiteres Problem ist die Gewährleistung der Verfügbarkeit der Funkverbindungen zwischen den Funkteilnehmern sowie die Optimierung der Reaktionszeit und des Energieverbrauchs der SAM, da sie vorzugsweise energieautark aufgebaut sind und daher möglichst energiearm agieren sollten.
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Aus der
DE 101 52 554 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines Funksystems bekannt, das mehrere mit einer Steuerzentrale in Wirkverbindung stehende Funkmaster-Module und eine Vielzahl von mit den FMM über Funk kommunizierende Funkmodule aufweist.
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Aus der
EP 1 236 075 B1 ist ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Funksystems mit Modulen bekannt, das mit einer Steuerzentrale in Wirkverbindung stehende FMM und eine Vielzahl von mit den FMM über Funk kommunizierende SAM aufweist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Funkteilnehmer, also die Sensor-Aktor-Module, möglichst einfach und automatisch in das Funksystem eingebunden werden können und solche Komponenten im Servicefall schnell und einfach ausgetauscht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass nach der Zuweisung der individuellen Start-Kommunikationsfrequenzen sich alle SAM automatisch in das Funknetz einbuchen beziehungsweise vom jeweiligen FMM eingebucht werden, und jedes FMM weiß durch die in seinem Speicher gebildete Kommunikationsliste, welche SAM mit ihm kommunizieren, sodass ein automatisches Kommunikationsraster erstellt werden kann. Diese Einbuchung erfolgt automatisch ohne manuellen Eingriff, wobei auch bei Austausch von Komponenten, beispielsweise beim Austausch von SAM, die Einbuchung in das System wiederum automatisch erfolgen kann. Dies führt zu einem sehr einfachen und schnellen Aufbau eines Funknetzes bei praktisch beliebig vielen Teilnehmern. Fehlerhafte Zuordnungen treten praktisch nicht auf.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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In vorteilhafter Weise werden die jeweils eine individuelle Modul-Seriennummer aufweisenden SAM alle gleichzeitig von einem ersten der FMM mit derselben Startfrequenz angerufen, vorzugsweise mit einer Frequenz am Rande des verwendeten Frequenzbandes, also z. B. am Rande des 2,4-GHz ISM-Bandes, wobei dem ersten antwortenden SAM eine erste Start-Kommunikationsfrequenz und eine aus seiner Modul-Seriennummer generierte Identifikations-Nummer zugewiesen wird. In jedem SAM befindet sich ein Zeit-Zufallsgenerator, der dafür sorgt, dass die Antworten der SAM auf diesen Anruf erst nach Ablauf der jeweiligen Zufallszeit erfolgen und sehr wahrscheinlich nicht gleichzeitig kommen können. Das erfolgreich antwortende SAM hört dann nicht mehr auf die nächsten Anrufe. Dieser Vorgang wird mit den übrigen SAM so lange wiederholt, bis das erste FMM seine Kommunikationsliste nach Erfassung einer vorgesehenen Anzahl von SAM erstellt hat. Da die Modul-Seriennummern bei der Produktion der SAM automatisch vergeben werden, erfolgt die Einbuchung der SAM in das Funknetz automatisch ohne vorangehende Einstellungen.
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Jeweils nach Erstellung der Kommunikationsliste im ersten FMM erstellen nacheinander die übrigen FMM in der gleichen Weise ihre Kommunikationslisten, wobei dies auch gleichzeitig erfolgen kann, insbesondere mit Hilfe von Zufallsgeneratoren. In diesem Fall befindet sich in jedem FMM ein Zeit-Zufallsgenerator, der dafür sorgt, dass die Anrufe der FMM an die SAM erst nach Ablauf der jeweiligen Zufallszeit erfolgen und sehr wahrscheinlich nicht gleichzeitig kommen können.
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In den FMM und vorzugsweise auch in den SAM werden die Frequenzkanäle des verwendeten Funksystems, insbesondere die Frequenzkanäle des 2,4-GHz-Funksystems, gespeichert, sodass prinzipiell alle Teilnehmer mit allen Frequenzen kommunizieren können.
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Die Kommunikation zwischen den FMM und den SAM wird zweckmäßigerweise mit Hilfe von Funktelegrammen durchgeführt unter Verwendung der jeweiligen Identifikations-Nummern der SAM. Die Kommunikation kann grundsätzlich mit Hilfe jeweils der Start-Kommunikationsfrequenz erfolgen, jedoch kann auch das an sich bekannte Frequenzhopping-Verfahren angewandt werden, bei dem mit den Funktelegrammen dem jeweils angesprochenen SAM die nächsten Hoppingfrequenzen übermittelt werden, vorzugsweise wenigstens zwei nächste Hoppingfrequenzen. Dadurch finden die Funkteilnehmer stets auf den vereinbarten Hoppingfrequenzen zueinander und können auch im Störfall weiter miteinander kommunizieren.
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Jedes FMM führt eine Statistik über die Qualität der Hoppingfrequenzen. Um Fehlkommunikation so weit wie möglich zu vermeiden, werden in vorteilhafter Weise Hoppingfrequenzen wenigstens zeitweise ausgeblendet, die mehrmals oder öfters keine ordnungsgemäße Verbindung ermöglicht haben.
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Um unterschiedliche Prioritäten der an die jeweiligen SAM angeschlossenen Aktoren und/oder Sensoren zu berücksichtigen, wird die zeitliche Kommunikationsrate zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Prioritäten der beteiligten SAM festgelegt.
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Zur Energieoptimierung sind die SAM nur jeweils für den vorgesehenen Ansprechzeitraum des Zeitrasters aktiv und in der übrigen Zeit deaktiv.
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Da jedes SAM sein Zeitraster kennt und weiß, wann es ein für sich vorgesehenes Funktelegramm und auf welcher Frequenz zu empfangen hat, können die Funktelegramme sehr kurz gehalten werden. Des weiteren werden in vorteilhafter Weise die Nutzdaten im Funktelegramm nur dann übertragen, wenn eine Zustandsänderung stattgefunden hat.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein aus vier FMM und zweiunddreißig SAM bestehendes Funknetz,
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2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Datenübertragung in einem Zeitraster in Abhängigkeit von Prioritäten der SAM,
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3 einen schematischen Aufbau eines FMM und
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4 einen schematischen Aufbau eines SAM.
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Das in 1 schematisch dargestellte Funksystem besteht aus einer Basisstation 10, die vier Funkmaster-Module FMM1-FMM4 enthält. Die Funkmaster-Module werden im Folgenden zur Vereinfachung durchgehend als FMM bezeichnet. Jedem FMM sind acht Sensor-Aktor-Module zugeordnet, die im Folgenden zur Vereinfachung abgekürzt als SAM bezeichnet werden. Dem FFM1 sind die SAM 1,1–1,8 zugeordnet, wobei die SAM 1,4–1,7 schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt sind. Entsprechend sind dem FMM2 die SAM 2,1–2,8, dem FMM3 die SAM 3,1–3,8 und dem FMM4 die SAM 4,1–4,8 zugeordnet. Dabei bilden die SAM 1,1–1,8 ein erstes Funksubnetz, die SAM 2,1–2,8 ein zweites Funksubnetz, die SAM 3,1–3,8 ein drittes Funksubnetz und die SAM 4,1–4,8 ein viertes Funksubnetz. Die Zahl der FMM und die Zahl der SAM insgesamt sowie die Zahl der SAM eines Funksubnetzes ist willkürlich gewählt und kann in weiten Grenzen variieren.
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Die Basisstation 10 beziehungsweise die darin enthaltenen FMM1–FMM4 sind mit einer externen Zentralsteuerung 11 verbunden, entweder über Kabelverbindungen oder über Funkverbindungen.
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Der prinzipielle Aufbau eines FMM ist in 3 dargestellt. Ein Mikrocontroller (MCU) 12 ist einerseits mit einem Speicher (DPRAM beziehungsweise virtueller DPRAM) 13, wie auch mit einem Funk-Sendeempfangsmodul 14 verbunden zur drahtlosen Übermittlung und zum drahtlosen Empfang von Funktelegrammen seitens der SAM. Über ein Treibermodul 15, das beispielsweise als SPI-Driver ausgebildet sein kann, ist das jeweilige FMM mit der externen Zentralsteuerung 11 verbunden.
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Das in 4 dargestellte SAM enthält ebenfalls einen Mikrocontroller (MCU) 16, der einerseits mit einem Eingangs-/Ausgangsmodul (I/O) 17 und andererseits mit einem Funk-Sendeempfangsmodul (RF) 18 verbunden ist. Über dieses Funk-Sendeempfangsmodul 18 erfolgt die Kommunikation mit dem zugeordneten FMM. Das Eingangs-/Ausgangsmodul 17 weist im Ausführungsbeispiel acht Eingänge oder Ausgänge, wobei diese Zahl ebenfalls variieren kann. An diese acht Eingänge beziehungsweise Ausgänge kann eine entsprechende Zahl von Sensoren und/oder Aktoren angeschlossen werden, die über die Basisstation 10 beziehungsweise die externe Zentralsteuerung 11 drahtlos gesteuert werden sollen oder die entsprechende Sensorsignal-Rückmeldungen dorthin drahtlos übermitteln.
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Bei einer ersten Ausführung eines Verfahrens zur Inbetriebnahme des Funksystems werden zunächst unabhängig von den FMM in jedes SAM Identifikations-Nummern eingespeichert, was entweder über eine Programmierschnittstelle oder über einen Wahlschalter, beispielsweise einen DIP/DIL-Schalter, erfolgen kann. Diese Identifikations-Nummern, die Moduladressen darstellen, beinhalten die Zuordnung zu einem Funksubnetz beziehungsweise zu einem bestimmten FMM und die Zuordnung einer Start-Kommunikationsfrequenz. In jedem FMM und in jedem SAM ist eine Frequenztabelle gespeichert. Hierbei kann es sich beispielsweise um das verbreitete 2,4-GHz-Funksystem handeln, das Frequenzen zwischen 2,4000 GHz und 2,4835 GHz umfasst und das in 82 Frequenzkanäle mit jeweils einer Kanalbandbreite von 1 MHz aufgeteilt ist. Diese Identifikations-Nummern sind verkürzt in 1 mit 1,1–4,8 dargestellt. Die Ziffer vor dem Komma gibt die Zuordnung zu einem der FMM1–FMM 4 an, und die Ziffer hinter dem Komma ergibt die Durchnummerierungszahl innerhalb eines Funksubnetzes. Diese Zahl gibt gleichzeitig die Kanalnummer und damit die Start-Kommunikationsfrequenz vor. Das SAM 2,2 arbeitet somit mit einer Start-Kommunikationsfrequenz, die der des Kanals 22 des genannten Funksystems entspricht, und das SAM 4,3 mit einer Start-Kommunikationsfrequenz, die der Frequenz des Kanals 43 dieses Funksystems entspricht.
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Die Initialisierung des Funksystems erfolgt beispielsweise durch einen Befehl der externen Zentralsteuerung 11 oder durch einen Startbefehl in der Basisstation 10. Diese Initialisierung beziehungsweise Inbetriebnahme soll am Beispiel des FMM1 beschrieben werden. Entsprechende Vorgänge laufen gleichzeitig für die übrigen drei Funksubnetzsysteme ab. Eine Kollision tritt nicht auf, da jedes Funksubnetz mit unterschiedlichen Kanälen beziehungsweise Frequenzen des Funksystems arbeitet.
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Das FMM1 sendet zunächst eine Abfrage mit der Frequenz des Kanals 11 ab. Das SAM 1,1, das auf diese Start-Kommunikationsfrequenz eingestellt ist, empfängt dieses Signal und antwortet mit seiner Identifikations-Nummer. Das Antwortsignal wird im FMM1 registriert und das SAM 1,1 als Teilnehmer des Funksubnetzes in eine Teilnehmerliste eingetragen. Anschließend erfolgt das zweite Abfragesignal seitens des FMM1 mit der Frequenz des Frequenzkanals 12, wobei dann das SAM 1,2 entsprechend antwortet. Auf diese Weise werden nacheinander alle Frequenzen dieses Funksubnetzes abgefragt, sodass schließlich die acht SAM 1,1–1,8 in der Teilnehmerliste des FMM1 als Teilnehmer gespeichert sind. Entsprechendes erfolgt bei den übrigen FMM.
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Falls die Zahl der SAM im abgefragten Frequenzbereich geringer ist, so verkürzt sich entsprechend die Teilnehmerliste beziehungsweise Kommunikationsliste.
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Ein alternatives Verfahren zur Inbetriebnahme des Funksystems verwendet die bei der Produktion der SAM individuell dort eingespeicherten Modul-Seriennummern. Jedes SAM besitzt eine individuelle Modul-Seriennummer. Alle SAM des gesamten Funknetzes hören auf eine bestimmte, für alle gleiche Frequenz, die sogenannte Default-Frequenz, die vorzugsweise eine Frequenz am Rande des 2,4-GHz ISM-Bandes sein kann. Das FMM1 beginnt mit der Initialisierung, indem es einen Ruf an alle SAM mit dieser Default-Frequenz absendet. Alle SAM antworten, jedoch wertet das FMM1 in diesem Fall zufallsbedingt nur die erste empfangene Antwort aus und ignoriert alle anderen Antworten. Die empfangene und ausgewertete Antwort enthält jeweils die Modul-Seriennummer des betreffenden SAM. Daraus wird nun eine Identifikations-Nummer generiert, diese eingespeichert und an das betreffende SAM als Datentelegramm zurückgesandt. Die Identifikations-Nummer enthält dabei die Zuordnung zum entsprechenden Funksubnetz und die Zuordnung einer ersten Start-Kommunikationsfrequenz beziehungsweise eines Start-Kommunikationskanals. Das betreffende SAM ist nun betriebsbereit und hört von nun an nicht mehr auf die Default-Frequenz. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das FMM1 alle seine Funkkanäle vergeben hat und dann die gewünschte Zahl von teilnehmenden SAM seinem Funksubnetz zugeordnet hat beziehungsweise in seiner Teilnehmer- beziehungsweise Kommunikationsliste gespeichert hat. Durch das FMM1 oder eine übergeordnete Steuerung wird dann das FMM2 aktiviert, das dann denselben Vorgang mit derselben Default-Frequenz durchführt, bis alle seine Frequenzkanäle vergeben sind und eine entsprechende Zahl von SAM in seiner Teilnehmerliste beziehungsweise Kommunikationsliste gespeichert sind. Anschließend werden die übrigen FMM in derselben Weise veranlasst, ihr Funksubnetz zu initialisieren beziehungsweise aufzubauen.
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Es wäre prinzipiell auch möglich, mittels geeigneter Zufallsgeneratoren alle FMM gleichzeitig zu veranlassen, den Initialisierungsvorgang für ihr Funksubnetz einzuleiten. Dabei ist davon auszugehen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein SAM gleichzeitig mit einem Antwortsignal an zwei FMM2 durchkommt und somit doppelt registriert würde, äußerst gering ist.
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Das Ergebnis beider Verfahren zur Inbetriebnahme des Funknetzes beziehungsweise der Funksubnetze ist dasselbe: In jedem FMM ist eine Teilnehmer- beziehungsweise Kommunikationsliste mit Identifikations-Nummern der zugeordneten SAM gespeichert, und jedes SAM besitzt die entsprechende Identifikations-Nummer und eine entsprechende oder daraus abgeleitete erste Start-Kommunikationsfrequenz, mit der zumindest der erste Kommunikationsvorgang mit dem zugeordneten FMM seines Funksubnetzes stattfindet. Darüber hinaus werden aus der Teilnehmerliste die Muster der Hoppingfrequenzen sowie je nach Festlegung der Priorität der SAM die Abfrageliste für das FMM und die Zeitrasterliste für die SAM angelegt, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Zu Beginn der Betriebsphase werden die Zeitraster an die jeweiligen SAM übermittelt.
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In der anschließenden Betriebsphase werden nun von jedem FMM die SAM seines Funksubnetzes nacheinander in einem festgelegten Zeitraster abgefragt, beispielsweise in einem Zeitraster von 500 μsec gemäß 2. Dies bedeutet bei acht Teilnehmern eines Funksubnetzes, die gleiche Prioritäten besitzen, dass jedes SAM alle vier msec abgefragt wird. Diese Abfrage erfolgt in an sich bekannter Weise über ein Datentelegramm, das neben verschiedenen Statusinformationen insbesondere die Identifikations-Nummer als Adresse enthält, wobei die Abfrage in der zuvor zugeordneten Start-Kommunikationsfrequenz erfolgt. Falls Steuerbefehle für an das betreffende SAM angeschlossene Aktoren übermittelt werden sollen, so enthält das Abfragetelegramm entsprechende Steuerbefehle. Das angesprochene SAM antwortet in derselben Frequenz mit seiner Identifikations-Nummer als Bestätigung des erhaltenen Signals und sendet eventuell anliegende Sensorsignale im Antworttelegramm zurück. Auf diese Weise erfolgt die Kommunikation nacheinander mit allen SAM des jeweiligen Funksubnetzes. Die anderen Funksubnetze kommunizieren gleichzeitig in entsprechender Weise.
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Zur Verkürzung der Datentelegramme werden Steuerbefehle für Aktoren seitens der FMM beziehungsweise Sensorsignale seitens der SAM nur dann in das Datentelegramm eingetragen, wenn sich das entsprechende Signal seit der letzten Übertragung geändert hat. Ein Datentelegramm ohne Steuerbefehle beziehungsweise ein Antwortdatentelegramm ohne Sensorsignalinformationen bedeutet somit, dass die Information der letzten Kommunikation noch gilt und nicht verändert ist.
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Es ist auch möglich, den SAM unterschiedliche Prioritäten zuzuweisen. Dies wird anhand von 2 erläutert. Dort ist dem SAM 1,1, kurz als S1 bezeichnet, die höchste Priorität zugewiesen, das heißt, das S1 wird jeweils nach zwei Zeitrasterabständen abgefragt. Das SAM 1,2, kurz als S2 bezeichnet, hat die zweithöchste Priorität und wird alle vier Rasterabstände, also alle 2 msc, abgefragt. Die übrigen SAM dieses Funksubnetzes haben noch geringere Prioritäten und werden in entsprechend größeren Abständen abgefragt.
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Zur Verbesserung der Energiebilanz sind die SAM nicht ständig aktiv, sondern nur jeweils dann aktiv, wenn ein entsprechendes Datentelegramm seitens des zugeordneten FMM zu erwarten ist. Im ersten Datentelegramm des FMM oder in jedem Datentelegramm sind somit Informationen für das jeweilige SAM enthalten, nach welchen Rasterabständen die nächste Abfrage beziehungsweise das nächste Datentelegramm auftreten wird. Somit ist eine dynamische Vergabe der SAM-Priorität gegeben. Zu diesem Zeitraum erfolgt dann für eine kurze Zeit eine Aktivierung A, die das Empfangen und Absenden von Datentelegrammen ermöglicht.
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Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Kommunikation zwischen den FMM und den SAM im einfachsten Falle mit den zugewiesenen Start-Kommunikationsfrequenzen. Es kann jedoch auch das an sich bekannte Frequenzhopping-Verfahren angewendet werden. Dies bedeutet, dass nur noch die erste Kommunikation mit der Start-Kommunikationsfrequenz erfolgt. Im entsprechenden Datentelegramm seitens des FMM erfährt das angesprochene SAM, mit welcher Kommunikationsfrequenz es im nächsten Zyklus gemäß dem vorgegebenen Zeitraster angesprochen wird. Da die SAM ebenfalls die Frequenztabelle des Frequenzsystems gespeichert haben, stellt sich das SAM somit für den Empfang des nächsten Datentelegramms auf die übermittelte Hoppingfrequenz ein, die von der Start-Kommunikationsfrequenz abweicht. Dabei können mit einem Datentelegramm bereits mehrere Hoppingfrequenzen für die darauffolgenden Kommunikationsvorgänge übermittelt werden, sodass für den Fall einer Fehlkommunikation bereits die Hoppingfrequenz beziehungsweise Kommunikationsfrequenz für den darauffolgenden Kommunikationsvorgang festliegt. Bevorzugt erfolgt hierzu jeweils die Übermittlung von zwei oder drei Hoppingfrequenzen für die folgenden Kommunikationsvorgänge.
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In einer Ausgestaltung des Frequenzhopping-Verfahrens können die Hoppingfrequenzen daraufhin überwacht werden, ob sie jeweils häufiger Fehlkommunikationen verursachen. Hoppingfrequenzen, bei denen häufiger Fehlkommunikationen auftreten, können dann vollständig oder für einen vorgesehenen Zeitraum oder für eine vorgesehene Anzahl von Kommunikationsvorgängen ausgeblendet werden. Eine derartige Überwachung der Kommunikationsvorgänge und Hoppingfrequenzen erfolgt im Mikrocontroller 12 des jeweiligen FMM anhand eines Statistikprogramms.
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Zur weiteren Erhöhung der Übertragungssicherheit kann das System noch eine Umschaltung auf die jeweilige Start-Kommunikationsfrequenz vorsehen, wenn alle Kommunikationsversuche mit den vorgegebenen Hoppingfrequenzen fehlgeschlagen sind. Das jeweilige SAM schaltet somit nach der entsprechenden Zahl von innerhalb des vorgegebenen Zeitrasters nicht erhaltenen Datentelegrammen wieder auf die Start-Kommunikationsfrequenz um. Eine entsprechende Umschaltung erfolgt im zugeordneten FMM für dieses SAM. Nun kann dieses FMM das zugeordnete SAM auf der Start-Kommunikationsfrequenz erreichen.
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Sollte auch dies misslingen, so wird eine Fehlermeldung an die übergeordnete Zentralsteuerung 11 abgesetzt.
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Ein Funktelegramm von einem FMM zu einem SAM hat den folgenden schematischen Aufbau (Abfragetelegramm):
| | | Hoppingfrequenzen |
Aktor Steuerbefehl | Zeitraster | Identifikations-Nummer | Nächste | Übernächste | Überübernächste |
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Ein Funktelegramm von einem SAM zu einem FMM hat den folgenden schematischen Aufbau (Antworttelegramm):