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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Prozessmesstechnik und die Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Messgerät, eingerichtet zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld, die Verwendung eines Messgeräts zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Durchflussmessung oder Druckmessung in der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld, die Verwendung eines Messgeräts zur redundanten Datenübertragung von dem Messgerät an einen Empfänger oder ein Cloudsystem mittels eines Funkmoduls mit einem ersten Funkkanal und einem zweiten Funkkanal, ein Verfahren, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Technischer Hintergrund
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In der modernen Prozessindustrie und Fabrikautomation werden oft viele Feldgeräte/ Messgeräte in komplexen Anlagen stationär oder mobil, verteilt installiert. Typischerweise können Mess-, Parametrier- und Diagnosedaten sowie weitere Nutzdaten der Feldgeräte bei Bedarf drahtgebunden, beispielsweise über ein Leit- oder Bussystem, oder drahtlos, beispielsweise über ein Bluetooth- oder WLAN- Kommunikationsverbindung, zwischen den Feldgeräten und einem Empfänger wie z. B. einem mobilen Kommunikationsgerät ausgetauscht werden. Gerade im Rahmen der Industrie 4.0 bzw. Industrial Internet of Things (lIoT) gewinnt die intelligente Vernetzung der Feldgeräte an Bedeutung, und insbesondere im drahtlosen Kommunikationsumfeld.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zur bekannten drahtlosen Datenkommunikation anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Messgerät, das zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld eingerichtet ist. Das Messgerät umfasst ein Funkmodul, das einen ersten Funkkanal, der zum Senden von Messdaten eingerichtet ist, einen zweiten Funkkanal, der zum Senden derselben Messdaten eingerichtet ist, und eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist zum Ansteuern des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals derart eingerichtet ist, dass von den beiden Funkmodulen identische Daten versendet werden.
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Das Messgerät kann dazu eingerichtet sein, das Versenden der Messdaten in Form unidirektionaler Funkkommunikation auszuführen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Messgerät ein Füllstandmessgerät, ein Durchflussmessgerät, ein Druckmessgerät oder ein Grenzstandmessgerät.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, unabhängig von empfangenen Daten den ersten Funkkanal und den zweiten Funkkanal immer anzuweisen, die Messdaten zu versenden.
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Da das redundante Versenden der Messdaten mittels des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals die Zuverlässigkeit der Datenübertragung von dem Messgerät an einen Empfänger erhöhen kann, kann auf das Vorsehen eines Rückkanals in dem Messgerät verzichtet werden. Dadurch kann vorteilhaft eine Latenz des weiteren Datenversendens vermieden oder zumindest minimiert werden. Es handelt sich in diesem Fall somit um eine unidirektionale Kommunikation.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Funkkanal des Funkmoduls eingerichtet, die Messdaten über eine andere Funktechnologie als das zweite Funkmodul zu senden.
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Das Messgerät kann dazu eingerichtet sein, die gleichen Messdaten redundant oder wiederholend mittels des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals von dem Messgerät an einen externen Empfänger oder eine Empfangseinrichtung zu übertragen. Dabei können zwei redundante Kommunikationskanäle bzw. Funkkanäle in einem Messgerät integriert vorgesehen sein.
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Durch das redundante Versenden der Messdaten mittels der ersten und zweiten Funkkanäle kann die Chance der erfolgreichen Übertragung der Messdaten an einem Empfänger oder ein Cloudsystem dadurch erhöht werden, dass das zumindest ein Datenpaket durch den ersten Funkkanal oder den zweiten Funkkanal den Empfänger erreichen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Funkkanal ein LPWAN-Funkkanal, während der zweite Funkkanal ein Mobilfunkkanal ist.
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Bei einem LPWAN-Funkkanal handelt es sich um einen Funkkanal in einem Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk (Low Power Wide Area Network) unter Verwendung der niederfrequenten Schmalbandfunktechnologie.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das LPWAN-Funkkanal ein LoRa-, Sigfox-, NB-loT- oder Mioty-Funkkanal.
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Das LPWAN-Funkkanall kann als ein LoRa-, NB-loT-, Mioty-, Dect ULE-, Symphony Link-, Weightless-, WiFi HaLow- oder CAT-M-Funkkanall im Rahmen einer standardisierten, offengelegten Technologie ausgebildet sein.
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Alternativ kann das LPWAN-Funkkanal als ein Sigfox-, WavIoT- oder ein RPMA-Funkkanal im Rahmen eines proprietären Verfahrens ausgebildet sein.
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Das LPWAN-Funkkanal kann eingerichtet sein, die Messdaten über einen lizenzfreien Band in einem privaten Funknetz zu senden. Dazu kann das LPWAN-Funkkanal beispielsweise das LoRa- oder LoRa-WAN, Mioty-, Symphony Link-, Weightless-, WiFi HaLow-Funkkanal sein.
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Darüber hinaus kann das LPWAN-Funkkanal eingerichtet sein, die Messdaten über einen lizenzfreien Band, beispielsweise als ein LoRa-WAN- oder Sigfox-Funkkanal, oder über einen lizenzierten Band, beispielsweise als ein NB-loT- oder CAT-M-Funkkanal, in einem öffentlichen Funknetz zu senden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Funkkanal ein LoRa-Funkkanal, während der zweite Funkkanal ein LPWAN-Funkkanal ist, der kein LoRa-Funkkanal ist.
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Der erste Funkkanal und der zweite Funkkanal können somit zwei verschiedene LPWAN-Funkkanäle sein
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der LPWAN-Funkkanal dazu eingerichtet, die Messdaten mit einer Funkfrequenz unterhalb von 1 GHz oder 1 MHz zu senden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der LPWAN-Funkkanal dazu eingerichtet, die Messdaten mit einer Reichweite bis zu 50 km zu versenden.
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Beispielsweise kann der LPWAN-Funkkanal zum Versenden der Messdaten mit einer Reichweite von mindestens 50 m eingerichtet sein. Die relativ lange Reichweite kann vorteilhaft das Senden der Daten in einer großen betrieblichen Prozessanlage ermöglichen.
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Beispielsweise kann der LPWAN-Funkkanal dazu eingerichtet sein, die Messdaten mit einer Geschwindigkeit von 100 kbps bis 1 Mbps zu senden. Mit der relativ kleinen Datenrate kann der LPWAN-Funkkanal beispielsweise das Rauschen effektiv und effizient unterdrücken. Dadurch kann vorteilhaft die Gebäudedurchdringung des Funksignals verbessert werden.
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Darüber hinaus kann das Versenden der Messdaten bzw. die Datenübertragung mittels des LPWAN-Funkkanal mit einer relativ großen Latenzzeit erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Messgerät dazu eingerichtet, die Messdaten unmittelbar aufeinanderfolgend oder gleichzeitig mittels des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals zu senden.
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Das Messgerät bzw. die Steuereinheit des Funkmoduls kann eingerichtet sein, den ersten Funkkanal und den zweiten Funkkanal zum Senden der Messdaten zu synchronisieren. Das gleichzeitige Durchführen des Sendens der Messdaten durch den ersten Funkkanal und den zweiten Funkkanal kann vorteilhaft zur Reduzierung der für die gesamte Funkübertragung benötigten Zeit führen.
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Das Messgerät kann ein autarker Messsensor sein. Das Messgerät kann eine interne Energieversorgung aufweisen, die als ein Akku oder eine Batterie oder ein Solarpanal ausgebildet ist und zum Bereitstellen der zum Betrieb des autarken Messsensors eingerichtet ist.
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Beispielsweise kann das Messgerät für ein drahtloses batteriebetriebenes System in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk vorgesehen sein. Mit dem LPWAN-Funkkanal als dem ersten Funkkanal und/oder dem zweiten Funkkanal kann das Messgerät auch mit einer geringen Sendeleistung zum Datenübertragung eingerichtet sein. Unter Verwendung der niederfrequenten Schmalbandfunktechnologie kann das Messgerät mit dem LPWAN-Funkmodul durch die Integration in kommerziell verfügbaren Halbleiterbausteinen preisgünstig und energiesparend verfügbar sein.
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Im Vergleich zu einer drahtgebundenen Kommunikation, bei der die für die Messung erforderliche Energie stets im Einsatz stehen soll, kann mit der Verfügbarkeit weiterentwickelter, energiesparender drahtlosen Technologien in zunehmendem Umfang batteriebetriebene Sensoren, beispielsweise zur Überwachung von Füllstand-, Grenzstand- oder Druckwerten an Bedeutung gewinnen. Besondere Vorteile ergeben sich für Anwendungen im Bereich der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld wie z. B. der Logistik.
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Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
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Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemeint ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
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Mit dem LPWAN-Funkkanal beispielsweise einem LoRa-Funkkanal, kann das Messgerät dazu eingerichtet sein, das Senden der Messdaten energiesparend auszuführen.
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Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, das Messgerät gleich nach dem Senden der Messdaten in einen Schlafmodus umzuschalten.
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Die Steuereinheit kann weiterhin eingerichtet sein, das Messgerät in den Schlafmodus umzuschalten, ohne auf Antwort der empfangenen Daten zu warten, um Energie ferner zu sparen. Beispielsweise kann das Messgerät mit dem LoRa-Funkkanal und dem Mobilfunkkanal eingerichtet sein, auf eine Bestätigung des Empfangs der versendeten Messdaten von einer Empfangseinrichtung mittels der Steuereinheit gleichzeig nach dem Versenden der Messdaten zu verzichten bzw. das Versenden der Messdaten zu deaktivieren. Da das Datenversenden über die ersten und zweiten Funkkanäle gleichzeitig durchgeführt werden kann, kann das Messgerät entsprechend schneller in den Schlafzustand umgeschaltet werden.
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Somit kann sich vorteilhaft ein geringes Datenvolumen beim Senden der Messdaten mittels des Messgeräts ergeben.
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Alternativ kann das Messgerät eingerichtet sein, lediglich der LoRa-Funkkanal ohne einen Betriebsmodus „Empfang bestätigt“ in den Schlafmodus zu versetzen.
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Vorteilhaft kann dadurch das Messgerät mit dem Schlafmodus den begrenzten Luftraum in der Prozessanlage nicht ständig belegen und vermeiden, weitere Kommunikationsarten oder weitere Kommunikation zwischen einem weiteren Messgerät und einer Empfangseinrichtung in der Prozessanlage im selben Frequenzspektrum nicht zu stören. Dadurch kann die Datenkommunikation ohne Störung oder zumindest mit reduzierter Störung erfolgen.
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Der Mobilfunkkanal kann ein 5G-Mobilfunkkanal sein und dazu eingerichtet sein, die Messdaten beispielsweise mit einer Datenrate von bis zu 10 GBit/s mit einer kurzen Latenzzeit und einer hohen Reichwerte zu senden. Alternativ oder zusätzlich kann der Mobilfunkkanal ein 3G-Mobilfunkkanal oder ein 4G-Mobilfunkkanal sein.
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Der Mobilfunkkanal kann eingerichtet sein, die Datenkommunikation über den Mobilfunk in Form einer Non-IP-basierten Datenübertragung zu senden, ohne dass der Empfang der Messdaten durch die Empfangseinrichtung quittiert zu sein.
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Der LPWAN-Funkkanal kann in Kombination mit einem Mobilfunkkanal für die redundante Datenversendung oder Datenübertragung vorgesehen sein. Ferner können zwei unterschiedliche Funkkommunikationstechnologien in einem Messgerät kombiniert oder integriert sein, um die Messdaten im Feld auf unterschiedlichen Frequenzen und/oder durch die Verwendung unterschiedlicher Protokolle nach außen zu senden oder übertragen. Darüber hinaus kann ein weiterer Funkkanal in dem Messgerät vorgesehen, um die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation weiter zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Funkmodul des Messgeräts eine erste Funkeinheit, die den ersten Funkkanal aufweist, und eine zweite Funkeinheit, die den zweiten Funkkanal aufweist
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Die erste Funkeinheit und die zweite Funkeinheit können somit in einem einzelnen Funkmodul integriert ausgeführt sein.
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Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines Messgeräts zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Durchflussmessung oder Druckmessung in der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld.
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Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines Messgeräts zur redundanten Datenübertragung von dem Messgerät an einen Empfänger oder ein Cloudsystem mittels eines Funkmoduls mit einem ersten Funkmodul und einem zweiten Funkmodul.
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Ein Empfänger oder eine Empfangseinrichtung oder ein Cloudsystem kann in einem loT-System vorgesehen sein und zum Empfangen der Messdaten, die von dem Messgerät gleichzeitig und redundant über den ersten Funkkanal und den zweiten Funkkanal gesendet werden, eingerichtet sein.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung von einem Messgerät zu einem externen Empfänger. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: das Senden von Messdaten durch einen ersten Funkkanal, das Senden der Messdaten durch einen zweiten Funkkanal und das Ansteuern des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals derart, dass von den beiden Funkkanälen identische Messdaten versendet werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Steuereinheit eines Messgeräts ausgeführt wird, das Messgerät anweist, die folgenden Schritte durchzuführen: das Senden von Messdaten durch einen ersten Funkkanal eines Funkmoduls, das Senden der Messdaten durch einen zweiten Funkkanal des Funkmoduls und das Ansteuern des ersten Funkkanals und des zweiten Funkkanals derart, dass von den beiden Funkkanälen identische Messdaten versendet werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so beschreiben diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messgeräts zur Datenkommunikation gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Messgerät 100, welches zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld oder in einem loT-System eingerichtet ist und ein Funkmodul umfasst, das einen ersten Funkkanal 110, einen zweiten Funkmodul 120 und eine Steuereinheit 130 aufweist.
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Bei dem Messgerät 100 kann es sich um ein Füllstandmessgerät, ein Durchflussmessgerät, ein Druckmessgerät oder ein Grenzstandmessgerät handeln.
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Der erste Funkkanal 110 kann ein LPWAN-Funkkanal, insbesondere ein LoRa-Funkkanal, sein, der zum Senden der Messdaten eingerichtet ist, während der zweite Funkkanal 120 ein Mobilfunkkanal sein kann, der beispielsweise ein 5G-Mobilfunkkanal ist und zum Senden der Messdaten eingerichtet sein kann. Alternativ kann der zweite Funkkanal 120 ein LPWAN-Funkkanal sein, der anders als der LPWAN-Funkkanal des ersten Funkkanals ist.
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Die Steuereinheit 130 ist zum Ansteuern des ersten Funkkanals 110 und des zweiten Funkkanals 120 derart eingerichtet, dass von den beiden Funkkanälen 110, 120 identische Messdaten versendet werden. Darüber hinaus ist die Steuereinheit 130 eingerichtet, die identischen Messdaten gleichzeitig von dem ersten Funkkanal und dem zweiten Funkkanal zu versenden.
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Beispielsweise kann das Messgerät 100 eingerichtet sein, die Messdaten gleich in einem ersten Datenpaket 115 über den ersten LPWAN-Funkkanal bzw. den LoRa-Funkkanal 110 und in einem zweiten Datenpaket 125 über den zweiten Mobilfunkkanal an ein Cloudsystem 301 oder ein Server oder einem Empfänger 501 zu senden oder übertragen. Das erste Datenpaket 115 und das zweite Datenpaket 125 können eine identische Kennzeichnung aufweisen, mit der der Empfänger 501 oder das Cloudsystem 301 die Identifizierung der redundant übertragenen Messdaten ermöglichen kann.
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Dabei können die Messdaten durch den LPWAN-Funkkanal 110 und den Mobilfunkkanal 120 mit einer hohen Reichweite bis zu beispielsweise 50 km gesendet werden. Dabei kann das Senden der Messdaten über den LPWAN-Funkkanal 110 mit einem niedrigen Energieverbrauch und einer relativ großen Latenzzeit erfolgen.
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Die Steuereinheit 130 kann dazu eingerichtet sein, das Messgerät 100 gleich nach dem Senden der Messdaten in einen Schlafmodus umzuschalten, ohne auf Antwort der empfangenen Daten zu warten, um Energie weiterhin zu sparen. Somit kann sich vorteilhaft ein geringes Datenvolumen beim Senden der Messdaten mittels des Messgeräts 100 ergeben.
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Durch die Kombination zweier oder mehrerer unterschiedlicher Funkkommunikationstechnologien zur redundanten Datenversendung oder Datenübertragung kann das Messgerät 100 vorteilhaft mit einer erhöhten Zuverlässigkeit der Datenkommunikation im industriellen Umfeld zur Prozessautomatisierung oder in einem industriellen loT (lIoT)-System eingesetzt werden.
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Das Messgerät kann eine Antenne aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann, die Messdaten aus dem ersten Funkkanal und dem zweiten Funkkanal des Funkmoduls über die einzelne, gemeinsame Antenne zu versenden. Alternativ oder zusätzlich kann das Messgerät 100 eine zweite Antenne aufweisen, um die Messdaten jeweils über zweit separate Antenne zu versenden.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Datenübertragung von einem Messgerät 100 zu einem externen Empfänger. Im Schritt 201 werden Messdaten eines Messgeräts 100 durch einen ersten Funkkanal 110 gesendet. Im Schritt 201 werden die Messdaten des Messgeräts 100 durch einen zweiten Funkkanal 120 gesendet. Im Schritt 203 kann das Ansteuern des ersten Funkkanals 110 und des zweiten Funkkanals 120 derart ausgeführt werden, dass von den beiden Funkkanälen 110, 120 identische Messdaten versendet werden.
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Des Weiteren kann das Ansteuern des ersten Funkkanals 110 und des zweiten Funkkanals 120 derart ausgeführt werden, dass die Messdaten unmittelbar aufeinanderfolgend oder gleichzeitig mittels des ersten Funkkanals 110 und des zweiten Funkkanals 100 versendet werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
