DE102016107692A1

DE102016107692A1 - Verfahren zum Übertragen von Information

Info

Publication number: DE102016107692A1
Application number: DE102016107692.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Taschl
Original assignee: Wimtec Sanitarprodukte GmbH
Current assignee: Wimtec Sanitarprodukte GmbH
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2016-11-17
Also published as: DE102016107693A1; DE102016107695A1; DE102016107694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Information auf mindestens zwei als elektrische Leitungen zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung ausgeführten Gleich- oder Wechselstromleitungen zwischen mindestens einem Client in Masterfunktion und mindestens einem Client in Slavefunktion, wobei der Client in Masterfunktion mit einem Koppler elektrische Leitungen zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung entweder mit elektrischen Leitungen zur Energieversorgung oder zur Datenübertragung koppelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Information auf mindestens zwei als elektrische Leitungen zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung ausgeführten Gleich- oder Wechselstromleitungen zwischen mindestens einem Client in Masterfunktion und mindestens einem Client in Slavefunktion, wobei der Client in Masterfunktion mit einem Koppler elektrische Leitungen zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung entweder mit elektrischen Leitungen zur Energieversorgung oder zur Datenübertragung koppelt.
Die Kommunikationstechnik ist aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Im Fokus steht dabei der Informationsaustausch, der auch immer mehr die Gebrauchsgegenstände des alltäglichen Lebens umfasst. Sei es im Straßenverkehr, wo Navigationssysteme online Stauinformationen erhalten, sei es im Bereich von Haussteuerungen, auf die komfortabel über Computer und Smartphones zugegriffen werden kann. Der Begriff „Internet of things” beschreibt, dass die Kommunikation zunehmend durch miteinander vernetzte „intelligente Gegenstände” erfolgen wird. Selbst heute ist es allerdings noch nicht üblich, eine Netzwerkverkabelung für all diese Gegenstände vorzusehen. Daher sind Lösungen erforderlich, bei denen der Datenaustausch auch ohne diese Infrastruktur erfolgen kann.
Abkürzungs- und Begriffsverzeichnis:

ASK

Amplitude-Shift-Keying (Amplitudenumtastung)

BSC

Backscattering (Rückstreuung)

Dataline (DL)

Elektrische Leitung zur Datenübertragung

DLK

Dataline-Koppler

EM

Elektromagnetisch

EMF

Elektromagnetisches Feld

EMV

Elektromagnetische Verträglichkeit

ES

Elektronische Schaltungseinheit

EV

Energieversorgung

Common Power- and Dataline (CPDL)

Elektrische Leitung zur gemeinsamen Stromversorgung und Datenübertragung

Multiplexed Power- and Dataline (MPDL)

Elektrische Leitung zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung

Powerline (PL)

Elektrische Leitung zur Energieversorgung

Powerline-Communiation (PLC)

Datenübertragung über Power-Line

PLK

Powerline-Koppler

RSSI

Received Signal Strength Indicator (Indikator für die Empfangsfeldstärke)

Steht zum Datenaustausch keine Netzwerkverkabelung zur Verfügung, werden häufig drahtlose Kommunikationstechniken eingesetzt. Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass für eine aktive drahtlose Kommunikation eine Energieversorgung notwendig ist. Darüber hinaus verfügen diese Systeme nur über eine begrenzte Reichweite. Zwar kann die Reichweite durch Erhöhen der Sendeleistung innerhalb gewisser Systemgrenzen ausgedehnt werden, allerdings geht dies mit einer weiteren Erhöhung des Energieverbrauchs einher. Systeme, die regelmäßig drahtlos Informationen austauschen, eignen sich daher nur sehr bedingt für Anwendungen an Orten, an denen keine Netzspannungsversorgung verfügbar und ein regelmäßiges Aufladen von Akkus oder ein regelmäßiges Austauschen von Batterien unerwünscht ist.
In der Publikation „Wi-Ei Backscatter: Internet Connectivity for RF-Powered Devices", Bryce Kellogg, Aaron Parks, Shyamnath Gollakota, Joshua R. Smith and David Wetherall, University of Washington, SIGCOMM'14, August 17–22, 2014, Chicago, IL, USA ist eine passive Kommunikation ohne aktives Aussenden durch Impedanzänderung einer Antenne mit einem Analogschalter und Auswertung der Received Signal Strength Indicator (RSSI) als Indikator für die Empfangsfeldstärke veröffentlicht. Nachteilig an diesem System sind die geringe Datenübertragungsrate von ca. 1 kb/s und die geringe Reichweite von ca. 2 m.
Aus Gründen der Abhör- und Störsicherheit werden drahtlose Kommunikationssysteme in sicherheitsrelevanten Anwendungen nur beschränkt eingesetzt. Darüber hinaus gibt es Anwendungen, bei denen die zur drahtlosen Kommunikation genutzten EM-Wellen nicht toleriert werden. Ist eine drahtlose Kommunikation nicht erwünscht oder möglich, kann der Informationsinhalt auf bestehende Kabel aufmoduliert werden, um so den Aufwand für eine zusätzliche Netzwerkverkabelung zu ersparen.
Es ist Stand der Technik, dass hochfrequente Datensignale auf Gleichstromleitungen und auf niederfrequente Wechselstromleitungen aufmoduliert werden können. Ein typisches Schaltungsbeispiel ist in der l der US5391932A dargestellt. Über einen Koppler sind die PL mit den als CPDL ausgeführten Leitungen gekoppelt. Der Koppler verfügt über zwei Induktivitäten. Induktivitäten haben einen relativ geringen Gleichstromwiderstand und einen mit der Frequenz steigenden Wechselstromwiderstand. Daher ist der Koppler für Gleich- und niederfrequente Wechselströme niederohmig, für hochfrequente Datensignale jedoch hochohmig. Somit werden einerseits selbst von Energieversorgungen mit niedriger Impedanz die hochfrequenten Datensignale auf den CPDL nur gering gedämpft, andererseits wird durch die Impedanz der Energieversorgung ein Übertragen der Datensignale auf die PL verhindert und damit die Privatsphäre sichergestellt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Induktivitäten des Kopplers bei Spannungsunterbrechungen gefährliche Spannungsspitzen erzeugen können. Darüber hinaus kann in der Einschaltphase das Hochfahren von Schaltnetzteilen abhängig von der Induktivität des Kopplers, der Gesamtkapazität auf den Datenleitungen und eventuell stattfindender Datenübertragungen gestört werden. In der US5391932A ist ein Transistor-Koppler veröffentlicht, bei dem die genannten Nachteile des induktiven Kopplers vermieden werden. All diesen Lösungen gemeinsam ist jedoch der Nachteil der EMV-Abstrahlung im Frequenzbereich der hochfrequenten Datensignale.
Aus der US4573041A ist eine Zentraleinheit mit Terminals und Sensoren bekannt. Die Zentraleinheit ist über CPDL mit den Terminals verbunden. Die Zentraleinheit und die Terminals verfügen über je einen Konstantspannungsregler, einen Modulator und einen Demodulator. Die Zentraleinheit moduliert ein Referenzsignal auf die Konstantspannung auf. Die Terminals demodulieren das Referenzsignal, das im Wesentlichen eine Adresse darstellt. Das demodulierte Referenzsignal wird mit dem Schaltzustand von an das Terminal angeschlossenen Sensoren logisch verknüpft und wiederum der Konstantspannung aufmoduliert. Die Zentraleinheit demoduliert dieses Signal und führt es einer Empfangslogik zu. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sie nicht für Wechselstromleitungen geeignet ist.
In der US5859584A ist eine CPDL-Schaltung veröffentlicht, bei der zur Demodulation der Information ein Referenzsignal gebildet und kontinuierlich nachgeführt wird. Dadurch werden Störungen der Informationsübertragung auf den CPDL durch Spannungsschwankungen auf den PL verringert. Auch an dieser Schaltung ist nachteilig, dass sie nur für Gleichstromleitungen geeignet.
Eine Baugruppe zur Integration in Steuergeräte von Fahrzeugen für die Informationsübertragung über CPDL ist in der US2004207263A1 dargestellt. Die Versorgungsspannung wird über einen Bandpass gefiltert. Die zu übertragende Information wird vom Prozessor über einen Modulator und einen Ausgangstreiber nach dem ASK-Verfahren auf die gefilterte Versorgungsspannung aufmoduliert. Die für die ASK-Modulation benötigte Trägerfrequenz wird von einem Oszillator generiert, beträgt einige Megahertz und ermöglicht so Datenübertragungsraten von mehreren Kilohertz. Aus der gefilterten Versorgungsspannung wird mittels Spannungsfolger, Komparator und Detektor die empfangene Information demoduliert und dem Prozessor zugeführt. Wie bei der zuvor zitierten US5859584A bildet der Spannungsfolger ein kontinuierlich nachgeführtes Referenzsignal zum Verringern von Störungen der Informationsübertragung auf den CPDL durch Spannungsschwankungen auf den Versorgungsleitungen. Nachteilig an dieser Lösung ist die zusätzliche EMV-Abstrahlung im Bereich der Trägerfrequenz und dass sie nicht für Wechselstromleitungen geeignet ist.
In der US2010118983A1 ist ein PLC-System zur Informationsübertragung über CPDL geoffenbart. Die Baugruppe umfasst eine Energieversorgung und einen Lastkoppler. Die Energieversorgung umfasst eine regelbare Stromquelle, einen Mikroprozessor und einen Differenzverstärker. Der Lastkoppler umfasst einen induktiven Koppler, einen Shunt-Regler und einen Mikroprozessor. Die Energieversorgung kodiert durch Regeln der Stromquelle mit dem Mikroprozessor die an den Lastkoppler zu übertragende Information. Die Stromschwankungen werden im Lastkoppler durch Änderungen des Stromflusses durch den Shunt-Regler auskompensiert. Der Mikroprozessor überwacht den Stromfluss durch den Shunt-Regler und dekodiert daraus die von der Energieversorgung übertragene Information. Zum Übertragen von Information an die Energieversorgung steuert der Mikroprozessor des Lastkopplers mit einem Steuerausgang einen Schalter zum Überbrücken des induktiven Kopplers und kodiert die Information durch beim Überbrücken des induktiven Kopplers entstehende Impedanzänderungen des Lastkopplers. Diese werden in der Energieversorgung vom Differenzverstärker erfasst und vom Mikroprozessor dekodiert. Nachteilig an diesem System ist, dass es nicht für Wechselstromleitungen geeignet ist, weiters der zusätzliche Stromverbrauch des Shunt-Reglers und Störungen der Informationsübertragung über CPDL durch Stromänderungen durch die Last.
Aus der US6229435B1 ist ein PLC-System zur Informationsübertragung zwischen Komponenten innerhalb und außerhalb von Fahrzeugen bekannt. In 1a und 1b ist ein System zur Informationsübertragung über MPDL dargestellt. Die Komponenten umfassen einen Modulator und einen Demodulator. Die Komponente innerhalb des Fahrzeuges umfasst weiters eine Energieversorgung mit Transistoren, mit denen die Spannungsversorgung in Abhängigkeit des Pegels eines Steuereingangs ein- und ausgeschaltet werden kann. Durch Pegeländerungen am Steuereingang wird die Spannungsversorgung unterbrochen und ein Zeitfenster zur Informationsübertragung geschaffen. Die Komponente außerhalb des Fahrzeuges umfasst einen Ladungsspeicher zum Puffen der Energieversorgung während der Informationsübertragung, der durch eine Diode von der MPDL entkoppelt ist. Die DL sind immer mit MPDL gekoppelt. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung wird von der Komponente innerhalb des Fahrzeuges die Spannung der Spannungsversorgung in Abhängigkeit des Pegels eines Steuereingangs zwischen zwei Spannungspegeln umgeschaltet. In dieser Ausgestaltung kann der Ladungsspeicher außerhalb des Fahrzeuges zum Puffen der Energieversorgung während der Informationsübertragung entfallen. Nachteilig an diesem System ist, dass die DL permanent mit MPDL gekoppelt sind, dadurch im PL-Betrieb Störungen von PL über MPDL auf DL eingekoppelt werden und somit Schutzbeschaltungen für die DL erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass dieses System nur für Gleichstromleitungen geeignet ist.
In der DE2623699A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur wechselseitigen Übertragung von Impulsen veröffentlicht, bei dem die Datenübertragungsimpulse in mit Hochfrequenz modulierte Impulse umgeformt werden. Obwohl die einzelnen Stationen untereinander im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden, erfolgt die Informationsübertragung über CPDL. Die Kopplung des Signals vom Sender und Empfänger auf CPDL erfolgt über einen Kondensator. Nachteilig an dieser Lösung ist die EMV-Abstrahlung im Bereich der verwendeten Hochfrequenzen und dass sie ausschließlich für Wechselstromleitungen geeignet ist.
Aus der US4348582 ist ein System zur PL-Informationsübertagung bekannt. Das System besteht aus einem Steuergerät und Empfängern mit Verbrauchern. Zum Übertragen eines Bits der Information wird vom Steuergerät gegen Ende von Halbwellen auf der Wechselstromleitung abhängig vom Bitstatus der Information ein Kurzschluss generiert oder nicht. Die Empfänger umfassen eine Nulldurchgangserkennung und ermitteln aus der Zeitdauer der Impulse der Nulldurchgangskennung den Bitstatus der Information. Die Übertragung der Bitstati, in denen ein Kurzschluss generiert und dadurch die Spannungsversorgung kurz unterbrochen ist, erfolgt somit mittels MPDL, die der anderen Bitstati, in denen die Spannungsversorgung aufrecht bleibt, über CPDL. An diesem System ist nachteilig, dass die Informationen nur unidirektional übertragen werden kann, die Übertragungsrate sehr gering ist, während der Kurzschlüsse sehr hohe Ströme fließen und es ausschließlich für Wechselstromleitungen geeignet ist.
In der US4400688 sind ähnliche Methoden und Systeme für PLC geoffenbart. Im Gegensatz zur US4348582 erfolgt die Informationsübertragung nur von den Verbrauchern zum Versorger und die Übertragung der Bitstati durch Stromverbrauchsänderung während der Halbwellen durch die Verbraucher. Unabhängig von den Bitstati erfolgt daher die Informationsübertragung stets über CPDL. Auch wenn der Mehrstromverbrauch durch die zusätzliche Last geringer ist als durch die Kurzschlüsse, gelten im Wesentlichen die gleichen Nachteile wie bei der US4348582.
Aus der US5264823 ist ein weiteres unidirektionales PLC-System bekannt. Im Gegensatz zur US4348582 erfolgt die Unterscheidung der Bitstati nicht durch Generieren eines Kurzschlusses, sondern durch Unterbrechung der Spannungsversorgung um den Nulldurchgang der Wechselspannung. Der Bitstatus „1” ist mit jeweils einer Unterbrechung am Ende einer positiven und der darauf folgenden negativen Halbwelle definiert, der Bitstatus „0” durch eine Abfolge einer positiven und einer negativen Halbwelle jeweils ohne Unterbrechung. Die Übertragung des Bitstatus „1” erfolgt somit mittels MPDL, die des Bitstatus „0” über CPDL. Mit Ausnahme der hohen Ströme hat auch dieses System die gleichen Nachteile wie die US4348582.
In der US4300126 ist ein PLC-System mit Lastunterbrechung im Nulldurchgang zur Informationsübertragung über CPDL bekannt. Das System umfasst mehrere Controller mit Verbrauchen. Jeder Controller umfasst eine Nulldurchgangserkennung, einen Lastschalter und einen Steuereingang. Durch Anlegen einer Steuerspannung am Steuereingang öffnet der Controller im Nulldurchgang für die Zeit T den Lastschalter, schaltet damit den Verbraucher vorübergehend ab und ermöglicht so die Informationsübertragung auf PL. Die Zeit T_P ist um Größenordnungen kleiner als die Periodendauer des Wechselstroms. Sender und Empfänger sind über einen Kondensator mit der MPDL gekoppelt. Nachteilig an diesem System ist, dass es ausschließlich für Wechselstromleitungen geeignet ist, dass die MPDL ausschließlich während der kurzen Zeit T_P auf DL geschaltet sein kann und dass induktive Lasten beim Schalten hohe Spannungsspitzen in mehrfacher Höhe der PL-Spannung auf den MPDL verursachen und so aufwendige Schutzbeschaltungen für die DL erforderlich machen.
Aus der WO8001024 sind Verfahren und Systeme zur Informationsübertragung bekannt. Dabei ist eine Leitung als MPDL und eine Leitung als CPDL ausgeführt. Das System besteht aus einem Sender und Geräten mit jeweiligen Verbrauchern. Der Sender verfügt über ein Schaltglied, mit dem er die MPDL zwischen PL und DL umschalten kann. Die Geräte verfügen über einen Detektor, der das Umschalten zwischen PL und DL detektiert. Durch geeignete Wahl der Umschaltzeitpunkte kann vom Sender Information kodiert und von den Geräten wieder dekodiert werden. Im DL-Modus, wenn MPDL von PL entkoppelt ist, können darüber hinaus die Geräte ihrerseits Informationen über MPDL übertragen. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sie ausschließlich für Wechselstromleitungen geeignet ist, die EMV-Abstrahlung durch die hohen Datenübertragungsraten im DL-Modus auf ungeschirmten Leitungen und dass eine Leitung als CPDL ausgeführt ist und so die Informationsübertragungen durch Einflüsse auf PL gestört werden kann.
In der WO2005108245 ist ein System mit Informationsübertragung über CPDL geoffenbart, das für Gleich- und Wechselstromleitungen geeignet ist. Das System besteht aus einem Steuermodul und Verbrauchern. Das Steuermodul verfügt über Schalter und Gleichrichter und kodiert den Informationeninhalt dadurch, dass an die Verbraucher entweder Wechselspannung oder Gleichspannung in positiver, negativer oder wechselnder Polarität abgeben wird. Nachteilig an diesem System ist, dass das Steuermodul auch bei Gleichstromverbrauchern ausschließlich mit Wechselspannung versorgt werden kann und die geringe Datenübertragungsrate von maximal einem Bit pro Halbwelle.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Übertragen von Information über Multiplexed Power- and Dataline anzugeben, bei dem ein Client Multiplexed Power- and Dataline entweder an Powerline oder an Dataline koppelt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Client in Masterfunktion mit einem Koppler mindestens zwei Multiplexed Power- and Datalines entweder an Powerline oder an Dataline koppelt.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Umkoppeln von Powerline auf Dataline zum Nulldurchgang oder um das Viertel einer Periodendauer danach erfolgt.
In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Client bei Anschluss einer Energieversorgung in Masterfunktion oder beim Trennen einer Energieversorgung in Slavefunktion wechselt.
In einer besonderen Ausführung kann vorgesehen sein, dass ein Client in unterschiedlichen Teilnetzen angeordnet ist und in mindestens einem Teilnetz Masterfunktion und in den anderen Teilnetzen Slavefunktion ausübt.
In einer darüber hinausgehenden Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Informationsübertragung über einen Repeater oder mindestens ein Gateway erfolgt.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass ein Client empfangene Information zum Durchführen von Softwareupdates, zum Fernsteuern und/oder Konfigurieren anwendet oder zu übertragende Information bereitstellt.
In einer besonderen Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Energieversorgung einen Ladungsspeicher umfasst.
In einer darüber hinausgehenden Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Datalines von den Powerlines galvanisch getrennt sind.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den Zeichnungen näher erläutert, wobei
1a ein vereinfachtes Schaltbild einer EMF-Informationsübertragung;
1b einen Transceiver;
1c einen EMF-Energy-Harvester als Energieversorgung;
1d eine Anordnung von EMF-Clients und EMF-Versorger;
1e die Informationsübertragung zwischen EMF-Clients mittels eines EMF-Repeaters;
1f die Informationsübertragung über ein EMF-Gateway;
1g eine Anordnung von zwei EMF-Versorgern und einem EMF-Client;
1h eine Anordnung von mindestens einem mobilen EMF-Client;
1i die Informationsübertragung zwischen einem EMF-Client und einem als Gerät der Informations- und Telekommunikationstechnik ausgeführten Client;
1j einen Temperaturfühler;
2a die Informationsübertragung zwischen zwei Clients;
2b die Informationsübertragung zwischen zwei Clients;
2c die Informationsübertragung zwischen mehreren Clients;
2d die Informationsübertragung zwischen räumlich getrennten Clients;
2e die Informationsübertragung zwischen Clients mittels Gateway und
3 ein beispielhaftes Netzwerk darstellt.
1a zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer EMF-Informationsübertragung ohne aktives Aussenden von EM-Wellen durch den Informationsbereitsteller 10. Dazu verfügt der Informationsbereitsteller 10 über eine Antenne 12 bestehend aus den Antennen 12a und 12b. Die elektronische Ansteuereinheit 16 führt die zu übertragende Information 13a dem Schaltglied 11 zu, wodurch sich das Reflexionsverhalten der Antenne 12 ändert. Die Kommunikation erfolgt daher rein passiv – ohne aktives Aussenden – nur durch modulierte Rückstreuung 15 durch die Änderung des Reflexionsverhaltens der Antenne 12. Das Reflexionsverhalten der Antenne 12 wird mit der Impedanzänderung der Antenne 12 gegenüber dem EMF 14 hergestellt. Die Impedanzänderung wird beispielhaft mit dem als elektronischer Schalter ausgeführten Schaltglied 11 zwischen den Antennen 12a und 12b realisiert. Die Modulation erfolgt so direkt im Basisbandfrequenzbereich der Schaltfrequenz des Schaltgliedes 11. Die Energieversorgung 43a stellt die erforderliche Energie für die Ansteuereinheit 16 und das Schaltglied 11 bereit.
Die Antenne 12 ist beispielhaft als Dipol- oder Patchantenne mit geringer Bandbreite ausgeführt. Die Information wird auf das in der Umgebung bereits vorhandene EMF 14, beispielhaft das natürliche EMF 14, aufmoduliert. Das in der Umgebung bereits vorhandene EMF 14 kann beispielhaft auch von Funkstationen, Fernsehmasten, Handymasten, DCF-77-Sendemasten, Mobiltelefonen oder WLAN-Accesspoints erzeugt sein.
Im Informationsempfänger 17 wird das von der Antenne 12c empfangene Signal verstärkt und der elektronischen Auswerteeinheit 18 zugeführt. Diese wertet im verstärkten Empfangssignal sowohl das Signal selbst als auch die Änderungen der Antennenreflexion des Informationsbereitstellers 10 aus und demoduliert die empfangene Information 13b. Weiters umfasst der Informationsempfänger 17 die Energieversorgung 43b zum Bereitstellen der erforderlichen Energie für die Auswerteeinheit 18.
Um einen lageunabhängigen Einbau zu ermöglichen, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eine zirkulare Polarisation für die Kommunikation bevorzugt.
Die Energieversorgungen 43a und 43b sind als Batterie ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform ist mindestens die Energieversorgung 43a oder die Energieversorgung 43b als wieder aufladbarer Akkumulator, als Netzteil oder als Brennstoffzelle ausgeführt.
In einer alternativen Ausgestaltung verfügt der Informationsbereitsteller 10 über eine als Verstärker 11a ausgebildete Sendeeinheit, die mit der Antenne 12 verbunden ist. Vor dem Aussenden der Information überprüft die elektronische Ansteuereinheit 16 die Feldstärke des EMF 14. Reicht die Feldstärke des EMF 14 nicht für eine zuverlässige Informationsübertragung aus, so verbindet die Ansteuereinheit 16 mit dem Schalter 11c den Verstärker 11a mit der Energieversorgung 43a, mit dem Schalter 11b mit der Antenne 12, passt mit dem Schaltglied 11 die Impedanz der Antenne 12 an den Verstärker 11a an und führt die Information 13a nicht dem Schaltglied 11, sondern dem Verstärker 11a zu und sendet diese aktiv über die Antenne 12 aus. In einer anderen Ausführung umfasst der Verstärker 11a ein nicht dargestelltes Ankopplungsnetzwerk für die Antenne 12.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ermittelt die elektronische Ansteuereinheit 16 aus der Feldstärke des EMF 14 die erzielbare Übertragungsrate für eine zuverlässige Informationsübertragung und führt die Information 13a nicht dem Schaltglied 11 zu, sondern verbindet mit dem Schalter 11c den Verstärker 11a mit der Energieversorgung 43a, mit dem Schalter 11b mit der Antenne 12, passt mit dem Schaltglied 11 die Impedanz der Antenne 12 an den Verstärker 11a an und führt die Information 13a dem Verstärker 11a zu, wenn die erzielbare Übertragungsrate eine bestimmten vorgegebenen Mindestwert von beispielhaft 115 Kilobit pro Sekunde unterschreitet.
1b zeigt einen als Transceiver ausgeführten, zum Bereitstellen und zum Empfangen von Information 13 geeigneten EMF-Client 19. Der EMF-Client 19 besteht im Wesentlichen aus den Komponenten des Informationsbereitstellers 10 und des Informationsempfängers 17. Beim Bereitstellen von Information wird die zu übertragende Information 13a dem Schaltglied 11 zugeführt und ändert dadurch das Reflexionsverhalten der Antenne 12.
Weiters umfasst der EMF-Client 19 die Energieversorgung 43 zum Bereitstellen der erforderlichen Energie für die Auswerteeinheit 18, die Ansteuereinheit 16 und das Schaltglied 11.
Um den Betrieb auch an Orten zu ermöglichen, an denen kein ausreichend starkes EMF in der Umgebung vorhanden ist, ist in 1b der EMF-Versorger 20 dargestellt, der als EMF-Sender ausgeführt ist und das EMF 14 aussendet. Vorzugsweise enthält der EMF-Versorger 20 auch alle Komponenten des EMF-Clients 19 und kann somit ebenfalls Informationen austauschen.
1c zeigt eine als EMF-Energy-Harvester 21 ausgeführte Energieversorgung 43. Dieser wandelt Teile der im EMF 14 vorhandenen Energie in elektrische Energie zur Versorgung des EMF-Clients 19 um. Ein entsprechendes Anpassungsnetzwerk 22 zur Anpassung der Antenne 12 an den Energy Harvester 21 und ein Gleichrichter 23 im Energy Harvester gewährleisten eine Funktion der Elektronik bis zu einer Empfangsleistung von beispielhaft –20 dBm (= 10 μW). Die damit einhergehende notwendige Leistungsdichte beträgt 400 nW/cm². Die nutzbare Leistung skaliert sich somit mit der Antennendimension. Der Gleichrichter 23 beinhaltet einen Ladungsspeicher C_V sowie eine Regelschaltung, die die Versorgungsspannung U_V auf einen vorgewählten Wert regelt. In einer erweiterten Ausführung ist der Ladungsspeicher C_V als Pufferakku ausgeführt.
1d zeigt die EMF-Clients 19b und 19c, die unter Ausnützung des natürlichen EMF 14a Information 13 austauschen können. Die Feldstärke des EMF 14a ist im Bereich des EMF-Clients 19a zum Austauschen von Information 13 nicht ausreichend. Die Strecke zwischen EMF-Client 19a und 19b ist mit 24ab, die zwischen EMF-Client 19b und 19c mit 24bc und die zwischen EMF-Client 19a und 19c mit 24ac bezeichnet. Der EMF-Versorger 20 erhöht mit dem künstlichen EMF 14b die Feldstärke des EMF 14 gebildet als Überlagerung des natürlichen EMF 14a und des vom EMF-Versorger 20 erzeugten EMF 14b und ermöglicht so die Übertragung über die Strecke 24ac, die länger ist als jede der beiden Strecken 24ab und 24bc, deren maximal erzielbare Länge im Freifeld zwischen 5 und 10 Meter beträgt und die stark von den Feldstärken der EMF 14a und 14b, den Antennen 12 sowie von Hindernissen, beispielhaft einer Wand, abhängt.
1e zeigt eine Anordnung von zwei EMF-Clients 19a und 19b, bei der die Strecke 24ab die maximale Kommunikationsreichweite zwischen den EMF-Clients 19a und 19b überschreitet. Zwischen den beiden EMF-Clients 19a und 19b ist ein als EMF-Repeater 25 ausgeführter weiterer EMF-Client angeordnet. Sowohl die Strecke 24a zwischen dem EMF-Client 19a und dem EMF-Repeater 25 als auch die Strecke 24b zwischen dem EMF-Client 19b und dem EMF-Repeater 25 sind kürzer als die maximale Kommunikationsreichweite. Der EMF-Repeater 25 empfängt die vom EMF-Client 19a bereitgestellte Information 13, demoduliert mit der Auswerteeinheit 18 den Informationsinhalt und moduliert diesen mit der Ansteuereinheit 16 und dem Schaltglied 11 wiederum auf die Antenne 12 auf, der wiederum vom EMF-Client 19b empfangen und demoduliert wird. In der umgekehrten Richtung empfängt der EMF-Repeater 25 die vom EMF-Client 19b bereitgestellte Information 13, demoduliert mit der Auswerteeinheit 18 den Informationsinhalt und moduliert diesen mit der Ansteuereinheit 16 und dem Schaltglied 11 wiederum auf die Antenne 12 auf, der wiederum vom EMF-Client 19a empfangen und demoduliert wird. Durch den Einsatz von EMF-Repeatern 25 wird die räumliche Anordnung der EMF-Clients wesentlich ausgedehnt.
In einer besonders vorteilhaften, in 1e nicht dargestellten Ausführung umfasst der EMF-Repeater 25 einen EMF-Versorger 20.
1f zeigt das EMF-Gateway 28a, das mit EMF-Client 19a in einem ersten EMF 14a Informationen 13 austauscht sowie räumlich getrennt das EMF-Gateway 28b, das mit dem EMF-Client 19b in mindestens einem weiteren EMF 14b Informationen 13 austauscht. Das EMF-Gateway 28a überträgt die Informationen 13 von dem EMF-Client 19a über das Kommunikationsnetz 26 an das EMF-Gateway 28b, das die Informationen 13 an den EMF-Client 19b in einem weiteren EMF 14b weiterleitet. Umgekehrt überträgt das EMF-Gateway 28b die Informationen 13 von dem EMF-Client 19b über das Kommunikationsnetz 26 an das EMF-Gateway 28a, das die Informationen 13 an den EMF-Client 19a weiterleitet. Die Informationsübertragung im Kommunikationsnetz 26 erfolgt beispielhaft über elektrische Leiter (insbesondere Ethernet, LAN und MPDL), über EMF (insbesondere WLAN-, WiFi-, Bluetooth-, ZigBee-, Mobilfunknetz; infrarotes, sichtbares oder ultraviolettes Licht) oder über Glasfaser zur Überbrückung von größeren Distanzen.
In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Informationsübertragung zwischen den EMF-Gateways 28a und 28b mittels Ultraschall 27, insbesondere unter Verwendung der Schallübertragungseigenschaften von Wasser.
Weiters umfasst das EMF-Gateway 28a die Energieversorgung 43a und das EMF-Gateway 28b die Energieversorgung 43b. In besonders vorteilhaften Ausführungen sind die Energieversorgungen 43a und/oder 43b als EMF-Energy-Harvester zur Umwandlung von Energie aus dem EMF 14a und/oder 14b, als EMF-Energy-Harvester zur Umwandlung von Energie aus EM-basierenden Kommunikationsnetzen 26, als Wandler zur Umwandlung von Energie aus LAN-basierenden Kommunikationsnetzen 26 und/oder als Schall-Energy-Harvester zur Umwandlung der kinetischen Energie des Ultraschalls 27 in elektrische Energie zur Versorgung der EMF-Gateways 28a und/oder 28b ausgeführt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist in den EMF-Gateways 28a und/oder 28b ein EMF-Client 19, ein EMF-Versorger 20 und/oder ein EMF-Repeater 25 integriert.
1g zeigt den EMF-Client 19 und mindestens zwei EMF-Versorger 20a und 20b. Die Leistung am Empfänger sinkt im Fernfeld der Versorger-Antenne typisch mit zunehmendem Abstand zwischen den EMF-Versorgern 20a–b und dem EMF-Client 19 um 20 dB pro Dekade des Abstandes r_a, r_a', r_b, r_b'. Der Abstand r_a, r_a', r_b, r_b' zwischen den einzelnen Teilnehmern kann so anhand der Empfangsleistung zwischen den EMF-Versorgern 20a–b und dem EMF-Client 19 näherungsweise bestimmt werden ohne Berücksichtigung der Dämpfung hervorgerufen durch Gegenstände, die sich zwischen den EMF-Versorgern 20a–b und dem EMF-Client 19 befinden, beispielhaft einer Wand. In seiner Ausgangsposition bewertet der EMF-Client 19 die Feldstärke des vom EMF-Versorger 20a ausgestrahlten EMF 14a und bestimmt daraus den Abstand r_a sowie die Feldstärke des vom EMF-Versorger 20b ausgestrahlten EMF 14b und bestimmt daraus den Abstand r_b. In der Position 19' bestimmt der EMF-Client 19 die Abstände r_a' und r_b' auf gleiche Weise. Aus der Beziehung, dass r_a' größer als r_a und r_b' kleiner als r_b ist, detektiert der EMF-Client 19 eine Bewegung weg vom EMF-Versorger 20a hin zum EMF-Versorger 20b.
1h zeigt eine Anordnung von mindestens einem mobilen EMF-Client 19 und den ortsfesten EMF-Clients 19a–c. Die EMF-Clients 19, 19a–c befinden sich in einem Bereich ausreichender Feldstärke des in 1h aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten EMF 14. Der mobile EMF-Client 19 ermittelt aus den Feldstärken der Rückstreuungen 15a–c von den EMF-Clients 19a–c die Abstände r_a, r_b und r_c sowie nach der Bewegung in die Position 19' die Abstände r_a', r_b' und r_c'.
Der mobile EMF-Client 19 wird beispielhaft von einem Benutzer getragen, ist in einem Armband integriert und überträgt die Abstände sowie seine Identifikationsnummer an die ortsfesten EMF-Clients 19a–c, die beispielhaft in unterschiedlichen Armaturen integriert sind. Dadurch können die ortsfesten EMF-Clients 19a–c bestimmen, welchem der mobile EMF-Client 19 räumlich am nächsten ist. Eine ungefähre Positionsabschätzung ist bereits mit zwei der ortsfesten EMF-Clients 19a–c möglich; die Genauigkeit der Positionsbestimmung steigt mit zunehmender Anzahl an ortsfesten EMF-Clients.
1i zeigt ein vereinfachtes Schema der Informationsübertragung zwischen dem EMF-Client 19 und einem als Gerät der Informations- und Telekommunikationstechnik ausgeführten Client 29. Der Client 29 ist beispielhaft als Smartphone 29a, Computer 29b, Mobiltelefon, Tablett oder Komponente einer Gebäudeleittechnik ausgeführt.
Das EMF-Gateway 28 umfasst einen nicht dargestellten EMF-Versorger und generiert so das EMF 14 mit ausreichend hoher Feldstärke zum Austausch von Information 13. Da die Entfernung zwischen dem EMF-Client 19 und dem EMF-Gateway 28 die maximale Kommunikationsreichweite überschreitet, ist räumlich zwischen dem EMF-Client 19 und dem EMF-Gateway 28 der EMF-Repeater 25 angeordnet. Die Information 13 wird über eine nicht dargestellte Steuerleitung an den EMF-Client 19 übertragen, der diese Information 13 über den EMF-Repeater 25 an das EMF-Gateway 28 weiterleitet. Das EMF-Gateway 28 schließlich überträgt die Information 13 über das Kommunikationsnetz 26 an den Client 29, beispielhaft ein Smartphone 29a, das die Information 13 auf seinem Display anzeigt.
Die Übertragung von Informationen vom Client 29 zum EMF-Client 19 erfolgt analog in umgekehrter Reihenfolge.
1j zeigt eine Ausgestaltung eines Temperaturfühlers 37 zum Erfassen der Temperatur nach dem Rückstreuungs-Temperaturmessverfahren (BSC-Temperaturmessverfahren). Der Temperaturfühler 37 ist als Antenne aus einem Material mit bekanntem, hohem Wärmeausdehnungskoeffizient ausgeführt. Hat das Material einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizient, so dehnt sich das Material bei steigender Temperatur aus und zieht sich bei sinkender Temperatur wieder zusammen. Hat das Material hingegen einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizient, so zieht sich das Material bei steigender Temperatur zusammen und dehnt sich bei sinkender Temperatur wieder aus. Mit der Größenausdehnung des Materials ändern sich mit der Geometrie der als Temperaturfühler 37 ausgeführten Antenne 12 die Impedanz und somit auch die Rückstreuung 15, 15a–c. In einer anderen Ausführung ist der Temperaturfühler 37 aus den Antennen 12a und 12b ausgebildet. Die Antenne 12a besteht aus einer leitfähigen Struktur auf einem Material mit bekanntem, hohen Wärmeausdehnungskoeffizient. Im Gegensatz dazu ist die Antenne 12b als leitfähige Struktur auf einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizient ausgebildet. Ausgehend von der Raumtemperatur dehnt sich die Antenne 12a aus und nimmt bei einer Temperatur von beispielhaft 30°C die Position 12a' an. Steigt die Temperatur weiter an, so berührt ab einer bestimmten Temperatur von beispielhaft 45°C in der Position 12a” die leitfähige Struktur der Antenne 12a die leitfähige Struktur der Antenne 12b, ändert somit schlagartig die Impedanz der aus den Antennen 12a und 12b bestehenden Antenne 12 und somit auch die Rückstreuung 15, 15a–c.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die Antenne 12 so angeordnet, dass die Antenne 12a wärmer als die Antennen 12b ist. Erwärmt sich die Antenne 12a und berührt die kühlere Antenne 12b, kühlt die Antenne 12a wieder ab und nimmt über die Position 12a' ihre ursprüngliche Position 12a ein. Aus der Frequenz oder dem Zeitverlauf der Impedanzänderungen wird unter Berücksichtigung der typischen Wärmeübergangsverluste die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Antennen 12a und 12b ermittelt.
In alternativen, nicht dargestellten Ausführungen besteht die Antenne 12a aus einer leitfähigen Struktur auf einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizient und die Antenne 12b als leitfähige Struktur aus einem Material mit bekanntem, hohem Wärmeausdehnungskoeffizient.
2a zeigt eine Anordnung der Clients 30a und 30b. Der Client 30a umfasst den PL-Anschluss 46 sowie den Koppler 33, der wechselweise entweder PL oder DL auf MPDL koppelt und beispielhaft als zweipoliges Relais mit Wechselkontakt ausgeführt ist, die Energieversorgung 43c zur Versorgung der elektronischen Schaltungseinheit 35 und einen MPDL-Anschluss, der über die Anschlussklemmen 44aa und 44ab mit Client 30b gekoppelt ist. Zusätzlich zum MPDL-Anschluss mit den Anschlussklemmen 44ba und 44bb umfasst der Client 30b den Koppler 33, die Energieversorgung 43c und den Ladungsspeicher C_V zur Versorgung seiner elektronischen Schaltungseinheit 35. Die Energieversorgung 43c ist über PL mit dem Koppler 33 verbunden.
Die elektronische Schaltungseinheit 35 verfügt über die beiden Datenanschlüsse A und B, die über DL mit dem Koppler 33 verbunden sind, sowie über den Steueranschluss SW, der mit dem Steuereingang des Kopplers 33, beispielhaft der Spule des Relais, verbunden ist.
Der Client 30a ist zwischen der Energieversorgung 43 und dem Client 30b angeordnet und versorgt im üblichen Betrieb den Client 30b. Dazu koppelt der Client 30a MPDL auf PL und der Client 30b MPDL auf PL und somit auf seine Energieversorgung 43c. Im PL-Betrieb ist DL somit sowohl im Client 30a als auch im Client 30b von MPDL entkoppelt. Der Client 30a kann durch Koppeln von MPDL auf DL die Energieversorgung 43 vom Client 30b unabhängig vom Schaltzustand dessen Kopplers 33 trennen und ist somit in Masterfunktion (MF). Der Client 30b kann den Client 30a nicht von der Energieversorgung 43 trennen und ist somit in Slavefunktion (SF).
Zum Initiieren einer Informationsübertragung fungiert der Client 30a als Informationsbereitsteller 10 und koppelt mit dem als Relais ausgeführten Koppler 33 die MPDL von PL auf die Datenanschlüsse seiner elektronischen Schaltungseinheit 35, trennt damit den Client 30b galvanisch von der Energieversorgung 43 und unterbindet somit störende Einflüsse von PL auf DL. Der als Informationsempfänger 17 ausgeführte Client 30b erkennt das Trennen von der Energieversorgung 43 an einem kontinuierlich Absinken der Spannung am Ladungsspeicher C_V und schaltet mit seinem als Relais ausgeführten Koppler 33 die MPDL von PL auf die Datenanschlüsse seiner elektronischen Schaltungseinheit 35. Der Client 30a erkennt das Abkoppeln des Ladungsspeichers C_V durch den Client 30b von den MPDL und startet die Übertragung von Information 13. Das Ende der Informationsübertragung erkennt der Client 30b am Koppeln der MPDL von DL auf PL durch den Client 30a.
Obwohl die Informationsübertragung bidirektional zwischen den Clients 30a und 30b erfolgen kann, kann nur der Client 30a in Masterfunktion MF die Informationsübertragung initiieren.
In einer vorteilshaften Ausführung wertet der Client 30b ständig die empfangenen Information 13 aus und koppelt nach Empfang eines Befehls zum Beenden der Informationsübertragung die MPDL von DL auf PL und somit auf seine Energieversorgung 43c mit angeschlossenem Ladungsspeicher C_V. Der Client 30a erkennt dieses Ankoppeln der Energieversorgung 43c an die MPDL und versorgt den Client 30b, indem er mit seinem Koppler 33 MPDL von DL auf PL koppelt.
In einer besonderen Ausführung wertet der Client 30b ständig die Spannung am Ladungsspeicher C_V aus und koppelt bei Unterschreiten eines Schellwertes von beispielhaft 6,5 V die MPDL von DL auf PL und somit auf seine Energieversorgung 43c mit angeschlossenem Ladungsspeicher C_V. Der Client 30a erkennt dieses Ankoppeln der Energieversorgung 43c an die MPDL und versorgt den Client 30b, indem er mit seinem Koppler 33 MPDL von DL auf PL koppelt. Damit ist sichergestellt, dass die erforderliche Mindestspannung für den Betrieb des Clients 30b nicht unterschritten wird. In einer darüber hinausgehenden Ausgestaltung der Erfindung setzt der Client 30a nach einer Mindestladezeit von beispielhaft 2 s das Übertragen der Information 13 fort, indem er eine neue Informationsübertragung initiiert.
In einer besonderen Ausgestaltung umfasst die Energieversorgung 43c einen Gleichrichter und ermöglicht so den Betrieb bei Wechselspannung. Um Störungen auf DL und PL durch Umkoppeln von PL auf DL und damit die Notwendigkeit für umfangreiche Schutzbeschaltungen zu vermeiden, verfügt die Energieversorgung 43c vorteilhafterweise über die Nulldurchgangserkennung 47, die mit der elektronischen Schaltungseinheit 35 verbunden ist. Die Nulldurchgangserkennung 47 erfasst die Nulldurchgänge der Wechselspannung. Die elektronische Schaltungseinheit 35 verfügt über die unterschiedlichen Betriebsmodi für ohmsche, induktive und kapazitive Lasten. Im Betriebsmodus für ohmsche und im Betriebsmodus für ohmsche/kapazitive Lasten schaltet die elektronische Schaltungseinheit 35 von PL auf DL stets im Nulldurchgang, im Betriebsmodus für induktive Lasten um ein Viertel der Periodendauer der Wechselspannung danach. In einer anderen Variante erfasst die Nulldurchgangserkennung 47 die Nulldurchgänge des Wechselstroms. Die elektronische Schaltungseinheit 35 schaltet von PL auf DL stets im Nulldurchgang des Wechselstroms.
In einer besonders kosteneffektiven Ausführung werden entweder die Anschlussklemmen 44aa und 44ba oder 44ab und 44bb mit Erdpotenzial verbunden. Dadurch kann die MPDL-Leitung zwischen den beiden mit Erdpotenzial verbundenen Anschlussklemmen entfallen und MPDL als Singlewire ausgeführt werden.
Verfügt die PL über mehr Leitungen als für MPDL benötigt werden, so werden die nicht für MPDL benötigten Leitungen nicht mit MPDL gekoppelt und ständig als PL betrieben.
2b zeigt eine über die in 2a hinausgehende Ausführungsform der Erfindung, bei der der Koppler 33 den PL-Koppler 33a und den DL-Koppler 33b umfasst. Der Client 30a in Masterfunktion MF umfasst den PL-Anschluss 46 an die Energieversorgung 43 sowie den Koppler 33, dessen PL-Koppler 33a mit PL verbunden ist, die an den PL-Anschluss 46 angebundene Energieversorgung 43c zur Versorgung der elektronischen Schaltungseinheit 35 und einen MPDL-Anschluss. Die elektronische Schaltungseinheit 35 verfügt über die Datenanschlüsse Tx für zu übertragende Information 13a und Rx für zu empfangende Information 13b, die über Steuerleitungen mit dem DL-Koppler 33b verbunden sind, sowie über den Steueranschluss SW, der mit dem Steuereingang des Kopplers 33 verbunden ist. Durch den Pegel des Steueranschlusses SW wird bestimmt, ob der Koppler 33 PL oder DL an MPDL koppelt. Der Client 30b in Slavefunktion SF umfasst statt der Energieversorgung 43c die Energieversorgung 43d mit dem Ladungsspeicher C_V, die mit dem PL-Koppler 33a verbunden ist. Der Client 30b umfasst weiters das Schaltglied 34, dessen Steuereingang mit einem Datenanschluss seiner elektronischen Schaltungseinheit 35 verbunden ist und dessen Stromverbrauch durch den Status des Steuereingangs bestimmt wird.
Im üblichen Betrieb versorgt der Client 30a den Client 30b, indem er über den Steuereingang SW mit seinem Koppler 33 MPDL auf PL koppelt. Der Client 30b koppelt mit seinem Koppler 33 MPDL ebenfalls auf PL und somit mit seiner Energieversorgung 43d. Im PL-Betrieb ist DL sowohl im Client 30a als auch im Client 30b von MPDL entkoppelt.
In Erweiterung zu 2a kann eine Informationsübertragung auch durch den Client 30b in Slavefunktion SF erfolgen. Dazu moduliert der Client 30b eine kodierte Information 13 auf den Steuereingang des Schaltgliedes 34 und erhöht so den Stromverbrauch des Clients 30b um beispielhaft 100 mA. Der Client 30a ermittelt mit dem Stromsensor 45 periodisch den Stromverbrauch des Clients 30b und dekodiert mit seiner elektronischen Schaltungseinheit 35 die Information 13.
Die Information 13 ist im einfachsten Fall das Übersteigen eines Grenzwertes für den Stromverbrauch des Clients 30b, der im üblichen Betrieb nicht überschritten wird. In einer anderen Ausführung ist die Information 13 eine bestimmte Stromverbrauchsänderung in einer bestimmten Zeiteinheit, beispielhaft +10 mA in 1 ms. In einer besonderen Ausgestaltung wird die Information in Form eines Befehls, einer Adresse oder einer digitalen Signatur durch ein digitales Modulationsverfahren moduliert, beispielhaft nach dem ASK-Verfahren mit einer Trägerfrequenz von beispielhaft 1200 Hertz.
2c zeigt die Informationsübertragung zwischen mehreren Clients. Die Clients 30, 30a und 30b sind ident aufgebaut und umfassen je eine Energieversorgung 43d, einen Koppler 33 bestehend aus dem PL-Koppler 33a und dem DL-Koppler 33b, eine elektronische Schaltungseinheit 35, ein Schaltglied 34, einen Stromsensor 45, einen PL-Anschluss 46 und mindestens einen MPDL-Anschluss.
Die Clients 30, 30a und 30b sind über die MPDL-Anschlüsse verbunden, ihre Reihenfolge ist beliebig. Der Client 30 ist weiters über den PL-Anschluss 46 mit der Energieversorgung 43 verbunden.
Im üblichen Betrieb versorgt der Client 30 die Clients 30a und 30b. Dazu koppelt der Client 30 PL und damit die Energieversorgung 43 mit MPDL und versorgt so die Clients 30a und 30b, die ihrerseits ihre Energieversorgungen 43d mit MPDL koppeln. Im PL-Betrieb ist DL in den Clients 30, 30a und 30b von MPDL entkoppelt.
Die Funktion erfolgt wie in 2b beschrieben. Die elektronische Schaltungseinheit 35 des Clients 30 ist für die Masterfunktion MF programmiert, die der Clients 30a und 30b für die Slavefunktion SF.
In einer besonderen Ausgestaltung wechseln die Clients 30, 30a und 30b bei Anschluss der Energieversorgung 43 an den PL-Anschluss 46 in Masterfunktion MF.
Vorteilshafterweise wechseln die Clients 30, 30a und 30b beim Trennen von der Energieversorgung 43 in Slavefunktion SF. Dadurch können alle Clients mit der gleichen Software versehen werden.
Vorteilhafterweise verfügen die Clients 30, 30a und 30b für jeden ihrer MPDL-Anschlüsse über einen eigenen Koppler 33 und einen eigenen Stromsensor 45 (in 2c nicht dargestellt). Die Clients 30, 30a und 30b ermitteln in Slavefunktion SF periodisch den Stromfluss aus den MPDL-Anschlüssen, erkennen daran, ob aus dem MPDL-Anschluss mindestens ein weiterer Client versorgt wird und bilden in diesem Fall ein Teilnetz am MPDL, für das sie die Masterfunktion MF übernehmen, wobei die Zuordnung in nachfolgender Tabelle dargestellt ist:

Teilnetz 31 Teilnetz 32

Client 30 MF MF -

Client 30a SF SF MF

Client 30b SF SF
Dadurch können während einer Informationsübertragung am Teilnetz 32 die MPDL zwischen Client 30 und 30a weiterhin auf PL gekoppelt bleiben und so Client 30a während der Informationsübertragung mit Client 30b versorgen.
In einer kosteneffektiven Ausführung verfügt der Client 30 anstatt der Energieversorgung 43d mit Ladungsspeicher C_V über die Energieversorgung 43c ohne Ladungsspeicher C_V und es entfällt das Schaltglied 34.
In einer weiteren kosteneffektiven Ausführung entfällt bei den Clients 30a und 30b der PL-Anschluss 46.
In einer besonders kosteneffektiven Ausgestaltung entfällt der Stromsensor 45 bei nicht belegten MPDL-Anschlüssen sowie bei Clients, die keine Master-Funktion übernehmen können.
2d zeigt die Informationsübertragung zwischen den Clients 30a und 30b aus 2c, die nur schemenhaft dargestellt und hier nicht mehr erläutert werden, in 2d jedoch räumlich getrennten sind. Qualität und Amplitude der empfangenen Information 13b nimmt mit zunehmender Entfernung zwischen den Clients 30a und 30b ab. Dies wird verursacht durch den ohmschen Widerstand, die Induktivität und die kapazitive Kopplung der Leiter, die abnehmende Feldstärke des EMF, den optischen Verlust in einer Glasfaser und die abnehmende Schallamplitude. Damit beeinflusst die Entfernung zwischen den Clients 30a und 30b die maximal mögliche Datenrate für eine fehlerfreie Informationsübertragung.
Zur Ausdehnung der maximal zulässigen Entfernung ist zwischen den räumlich getrennten Clients 30a und 30b der Repeater 36 angeordnet. Der in 2d beispielhaft dargestellte Repeater 36 umfasst zwei MPDL-Anschlüsse, wobei jeder MPDL-Anschluss mit einem Koppler 33 verbunden ist. Die PL-Anschlüsse der Koppler sind untereinander und mit der Energieversorgung 43d verbunden. Die elektronische Schaltungseinheit 35 umfasst einen Transceiver, der die von jeweils einem MPDL-Anschluss empfangene Information 13b verstärkt und auf den jeweils anderen MPDL-Anschluss überträgt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Repeater 36 als Glasfaser-, Schall- oder EMF-Repeater ausgeführt.
2e zeigt die Informationsübertragung zwischen den Clients 30a und 30b aus 2c, die in 2e nicht über MPDL direkt verbunden sind. Die Anordnung umfasst weiters die Gateways 38a und 38b. Die Informationsübertragung zwischen dem Client 30a und dem Gateway 38a sowie dem Client 30b und dem Gateway 38b erfolgt über MPDL wie in 2a und 2b beschrieben.
Die Gateways 38a und 38b sind über das Übertragungsmedium 40 gekoppelt. Die vom Client 30a an den Client 30b zu übertragende Information 13a wird über MPDL an das Gateway 38a, von diesem über das Übertragungsmedium 40 an das Gateway 38b und von diesem wiederum über MPDL an den Client 30b übertragen. Die Informationsübertragung vom Client 30b zum Client 30a erfolgt in umgekehrter Reihenfolge über MPDL, das Gateway 38b, das Übertragungsmedium 40, das Gateway 38a und MPDL.
Das Übertragungsmedium 40 ist beispielhaft als elektrischer Leiter (insbesondere Ethernet, LAN und MPDL), als EMF (insbesondere WLAN-, WiFi-, Bluetooth-, ZigBee-, Mobilfunknetz; infrarotes, sichtbares oder ultraviolettes Licht), als eine Ultraschallkopplung (insbesondere über Wasserleitungen) oder als Glasfaser zur Überbrückung von größeren Distanzen ausgeführt.
In einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausgestaltung umfassen die Gateways 38a und 38b mehrere Übertragungsmedien 40 und ermöglicht so die Informationsübertragung zwischen Clients über unterschiedliche Übertragungsmedien 40.
In einer darüber hinausgehenden Ausgestaltung umfasst die Anordnung mindestens ein weiteres Gateway 38 und ermöglicht so die Übertragung über mehrere Übertragungsmedien 40 hintereinander, beispielhaft über WLAN und Glasfaser.
3 zeigt ein beispielhaftes Netzwerk. Es umfasst den Client 39a, der beispielhaft als elektronische Entnahmearmatur mit Informationsübertragung über EMF ausgeführt ist. Der Client 39a und der EMF-Repeater 25 befinden sich in einem Bereich, in dem das in der Umgebung bereits vorhandene EMF 14a eine ausreichende Feldstärke zur Informationsübertragung aufweist. Weiters umfasst das Netzwerk die Clients 39b und 39c mit Informationsübertagung über EMF sowie das Gateway 38. Beispielhaft ist Client 39b als elektronische Entnahmearmatur und Client 39c als manuelle Entnahmearmatur ausgeführt. Die Clients 39b und 39c sowie das Gateway 38 sind örtlich in einem Bereich angeordnet, in dem die Feldstärke des in der Umgebung bereits vorhandenen EMF 14a zur Informationsübertragung nicht ausreicht. Das Gateway 38 umfasst ein EMF-Gateway 28 sowie einen EMF-Versorger 20 und generiert mit dem EMF-Versorger 20 das EMF 14b, das eine zur Informationsübertragung mit den Clients 39b und 39c sowie dem EMF-Repeater 25 ausreichende Feldstärke aufweist. Die Informationsübertragung zwischen den Clients 39b und 39c und dem Gateway 38 erfolgt somit direkt, während die Informationsübertragung zwischen den Clients 39a und 39c, zwischen den Clients 39a und 39b sowie zwischen dem Client 39a und dem Gateway 38 wie in 1e beschrieben über den EMF-Repeater 25 erfolgt.
Weiters umfasst das Netzwerk die Clients 39d und 39e mit Informationsaustausch über MPDL, die beispielhaft als manuelle Entnahmearmaturen ausgeführt sind. Die Informationsübertragung zwischen den Clients 39d und 39e sowie dem Gateway 38 erfolgt direkt über MPDL, während die Informationsübertragung zwischen den Clients 39d und 39e mit den Clients 39b und 39c wie in 1f beschrieben über das EMF-Gateway 28 des Gateways 38 und die Informationsübertragung zwischen den Clients 39d und 39e und dem Client 39a zusätzlich noch wie in 1e beschrieben über den EMF-Repeater 25 erfolgt.
Das Gateway 38 wiederum überträgt über das Kommunikationsnetz 26 Informationen 13 der Clients 39a–e an den beispielhaft als Smartphone 29a oder als Computer 29b ausgeführten Client 29. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Computer 29b in ein nicht dargestelltes Gebäudeleitsystem integriert.
Die Informationsübertragung zwischen den Clients 29 und 39a–e dient zum Übertragen von Daten, beispielhaft der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Armaturen, der Temperaturen und/oder Volumenströme des durchströmenden Wassers.
In einer besonderen Ausführung dient die Informationsübertragung zum Konfigurieren, Fernsteuern, zum Auslesen eines Programm-, Daten- und/oder Diagnosespeichers und/oder zum Softwareupdate der Clients 29 und/oder 39a–e.
In einer alternativen Ausgestaltung dient die Informationsübertragung zum Abgleich der Uhrzeit zwischen den Clients 29 und 39a–e.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfasst das Gateway 38 einen nicht dargestellten Web-Server. Dadurch kann mittels üblicher Webbrowser auf die Clients 29 und 39a–e zugegriffen werden.
Bezugszeichenliste

10: Informationsbereitsteller (1a, 2a)
11: Schaltglied (1a, 1b, 1e)
11a: Verstärker (1a)
11b: Schalter (1a)
11c: Schalter (1a)
12: Antenne (1a, 1b, 1c, 1e, 1j)
12a: Antenne (1a, 1b, 1e, 1j)
12a': Position (1j)
12a'': Position (1j)
12b: Antenne (1a, 1b, 1e, 1j)
12c: Antenne (1a)
13: Information (1b, 1d, 1e, 1f, 1i)
13a: zu übertragende Information (1a, 1b)
13b: empfangene Information (1a, 1b)
14: EMF (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1i)
14a: EMF (1d, 1f, 1g, 3)
14b: EMF (1d, 1f, 1g, 3)
15: Rückstreuung BSC (1a, 1b)
15a: Rückstreuung BSC (1h)
15b: Rückstreuung BSC (1h)
15c: Rückstreuung BSC (1h)
16: Ansteuereinheit (1a, 1b, 1e)
17: Informationsempfänger (1a, 2a)
18: Auswerteeinheit (1a, 1b, 1e)
19: EMF-Client (1b, 1c, 1g, 1h, 1i)
19': Position 19' von EMF-Client 19 (1g, 1h)
19a: EMF-Client (1d, 1e, 1f, 1h)
19b: EMF-Client (1d, 1e, 1f, 1h)
19c: EMF-Client (1d, 1h)
20: EMF-Versorger (1b, 1d, 3)
20a: EMF-Versorger (1g)
20b: EMF-Versorger (1g)
21: EMF-Energy-Harvester (1c)
22: Anpassungsnetzwerk (1c)
23: Gleichrichter (1c)
24a: Strecke (1e)
24b: Strecke (1e)
24ab: Strecke (1d, 1e)
24ac: Strecke (1d)
24bc: Strecke (1d)
25: EMF-Repeater (1e, 1i, 3)
26: Kommunikationsnetz (1f, 1i, 3)
27: Ultraschall (1f)
28: EMF-Gateway (1i, 3)
28a: EMF-Gateway (1f)
28b: EMF-Gateway (1f)
29: Client (1i, 3)
29a: Smartphone (1i, 3)
29b: Computer (1i, 3)
30: Client (2c)
30a: Client (2a, 2b, 2c, 2d, 2e)
30b: Client (2a, 2b, 2c, 2d, 2a2e)
31: Teilnetz (2c)
32: Teilnetz (2c)
33: Koppler (2a, 2b, 2c, 2d)
33a: PL-Koppler (2b, 2c, 2d)
33b: DL-Koppler (2b, 2c, 2d)
34: Schaltglied (2b, 2c)
35: Elektronische Schaltungseinheit (2a, 2b, 2c, 2d)
36: Repeater (2d, 3)
37: Temperaturfühler (1j)
38: Gateway (2e, 3)
38a: Gateway (2e)
38b: Gateway (2e)
39a: Client (3)
39b: Client (3)
39c: Client (3)
39d: Client (3)
39e: Client (3)
40: Übertragungsmedium (2e)
41: bidirektionaler Verstärker (2d)
42: Schalter (2a, 2b)
43: Energieversorgung (1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 2d)
43a: Energieversorgung (1a, 1f)
43b: Energieversorgung (1a, 1f)
43c: Energieversorgung (2a, 2b)
43d: Energieversorgung (2b, 2c, 2d)
44aa: Anschlussklemme (2a)
44ab: Anschlussklemme (2a)
44ba: Anschlussklemme (2a)
44bb: Anschlussklemme (2a)
45: Stromsensor (2a, 2c)
46: PL-Anschluss (2a, 2b, 2c)
47: Nulldurchgangserkennung (2a)
A: Datenanschluss (2a)
B: Datenanschluss (2a)
C_V: Ladungsspeicher (1c, 2a, 2b, 2c, 2d)
MF: Masterfunktion (2a, 2b)
r_a: Abstand (1g, 1h)
r_a': Abstand (1g, 1h)
r_b: Abstand (1g, 1h)
r_b': Abstand (1g, 1h)
r_c: Abstand (1h)
r_c': Abstand (1h)
Rx: Datenanschluss vom Empfänger (2b)
SF: Slavefunktion (2a, 2b)
SW: Steueranschluss (2a, 2b)
Tx: Datenanschluss zum Sender (2b)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5391932 A [0006, 0006]
US 4573041 A [0007]
US 5859584 A [0008, 0009]
US 2004207263 A1 [0009]
US 2010118983 A1 [0010]
US 6229435 B1 [0011]
DE 2623699 A1 [0012]
US 4348582 [0013, 0014, 0015]
US 4400688 [0014]
US 5264823 [0015]
US 4300126 [0016]
WO 8001024 [0017]
WO 2005108245 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Wi-Ei Backscatter: Internet Connectivity for RF-Powered Devices”, Bryce Kellogg, Aaron Parks, Shyamnath Gollakota, Joshua R. Smith and David Wetherall, University of Washington, SIGCOMM'14, August 17–22, 2014, Chicago, IL, USA [0004]

Claims

Verfahren zum Übertragen von Information (13, 13a–b) auf mindestens zwei als elektrische Leitungen zur Stromversorgung und Datenübertragung (MPLD) ausgeführten Gleich- oder Wechselstromleitungen zwischen mindestens einem ersten Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) mit mindestens einem Koppler (33), einer Energieversorgung (43, 43a–d), einer elektronischen Schaltungseinheit (35) sowie einem PL-Anschluss (46) und mindestens einem weiteren Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) mit mindestens einem Koppler (33), einer Energieversorgung (43, 43a–d) und einer elektronischen Schaltungseinheit (35) dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) mit dem Koppler (33) mindestens zwei elektrische Leitungen zur gemultiplexten Stromversorgung und Datenübertragung (MPDL) entweder an Powerline (PL) zur Energieversorgung oder an Dataline (DL) zur Datenübertragung koppelt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungseinheit (35) des Clients (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) das Umkoppeln von Powerline (PL) auf Dataline (DL) zum Nulldurchgang der Wechselspannung oder des Wechselstroms auf Powerline (PL) oder um ein Viertel der Periodendauer nach diesem Zeitpunkt durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) bei Anschluss der Energieversorgung (43, 43a–d) an einen PL-Anschluss (46) von der Slavefunktion (SF) in die Masterfunktion (MF) und/oder beim Trennen der Energieversorgung (43, 43a–d) von der Masterfunktion (MF) in die Slavefunktion (SF) wechselt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) in mindestens zwei unterschiedlichen Teilnetze (31, 32) angeordnet ist und gleichzeitig in einem der Teilnetze (31, 32) die Masterfunktion (MF) und in den anderen Teilnetzen (31, 32) die Slavefunktion (SF) ausübt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragung zwischen mindestens zwei Clients (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) über mindestens einen Repeater (36) und/oder ein Gateway (38, 38a–b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Clients (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) die empfangene Information (13b) zum Durchführen von Softwareupdates, zum Fernsteuern und/oder Konfigurieren anwendet und/oder die zu übertragende Information (13a) bereitstellt.
Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) zum Durchführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (43, 43a–d) einen Ladungsspeicher (C_V) umfasst.
Client (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) zum Durchführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen zur Datenübertragung (DL) von den elektrischen Leitungen zur Energieversorgung (PL) galvanisch getrennt sind.
Anordnung von mindestens zwei Clients (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) zum Durchführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens einen Repeater (36) umfasst.
Anordnung von mindestens zwei Clients (19, 19a–c, 29, 30, 30a–b, 39a–e) zum Durchführen eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei über mindestens ein Übertragungsmedium (40) gekoppelte Gateways (38) umfasst.