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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Funktionsüberwachung eines elektrisch gesicherten Weidezauns mit einem freiliegenden, einen Flächenbereich umgebenden und spannungsführenden elektrischen Leiter, umfassend ein Spannungsmessgerät zur Messung der Spannung zwischen dem elektrischen Leiter und einem Referenzpotenzial, einen Mikrocontroller zur Auswertung eines Messsignals des Spannungsmessgeräts und zur Generierung eines Statussignals in Abhängigkeit von diesem Messsignal, sowie eine Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übermittlung des Statussignals an ein entferntes Empfangsgerät.
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Eine derartige Sensoreinrichtung ist bereits aus der
EP 2 974 556 B1 vorbekannt. Diese betrifft eine Elektrozaunsteuerungseinheit, welche einen Signalgenerator umfasst, der ein getaktetes Signal entlang des Leiters des Weidezauns aussendet. Dieses erlaubt Rückschlüsse auf Art und Lage eines möglichen Fehlers an dem Leiter, insbesondere eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung des Stromkreises, etwa durch Kabelbruch, entlang einer Längserstreckung des Leiters.
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Die Messergebnisse werden von einem Mikrocontroller ausgewertet und hieraus ein Statussignal erstellt, welches einen Rückschluss auf die Funktion und gegebenenfalls auf die Fehlerposition einer Schadstelle erlaubt. Eine Signalisierung an einen entfernten Empfänger erfolgt hierbei über eine drahtlose Verbindung, wobei insbesondere eine GSM-Verbindung über ein Mobiltelefon oder eine vergleichbare Einrichtung vorgesehen ist. Dies dient dazu, dass eine Überwachung des Weidezauns auch in zeitweiliger Abwesenheit von Personal erfolgen kann. Die Signalisierung an ein Empfangsgerät ermöglicht es, einerseits mehrere Weidezäune zentral von einem Empfangsgerät aus zu überwachen, zum anderen auch erst im Fehlerfall den Weidezaun aufzusuchen und einen aufgetretenen Fehler zu beheben.
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Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass eine Mobilfunkabdeckung durch einen Mobilfunkanbieter gewährleistet sein muss, um eine sichere Signalisierung zu gewährleisten. Gerade dies ist aber vor allem im ländlichen Raum häufig nicht der Fall. Oftmals ist die Mobilfunkabdeckung gerade auf dem Land, wo der Bedarf an Weidezäunen groß ist, besonders schlecht, so dass viele Flächen aufgrund ihrer Lage für den Betrieb einer Sensoreinheit bekannter Bauart ungeeignet sind.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Sensoreinheit zur Funktionsüberwachung eines elektrisch gesicherten Weidezauns zu schaffen, welche autark in ländlichen Gebieten mit unsicherer Mobilfunknetzabdeckung eingesetzt werden kann und die gleichzeitig einen energieeffizienten Betrieb erlaubt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sensoreinrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Sensoreinrichtung können den sich anschließenden, abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein elektrisch gesicherter Weidezaun mit einem Sensor überwacht wird, welcher ähnlich wie bereits im Stand der Technik eine Beschädigung oder Beeinflussung der Funktion des Weidezauns feststellen kann und Statusmitteilungen in regelmäßigen Abständen oder ereignisbasiert an ein entferntes Empfangsgerät übermittelt. Eine solche Sensoreinrichtung überwacht den Spannungspegel um dessen vollständige Funktionsfähigkeit prüfen und dokumentieren zu können.
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Im Einzelnen ist es vorgesehen, dass die Sensoreinheit an den Weidezaun angehängt und mit diesem elektrisch verbunden wird. Zwischen dem mit Spannung beaufschlagten Leiter und einem Referenzpotenzial wird dann vermittels eines Spannungsmessgeräts eine Potenzialdifferenz ermittelt und über einen Analog-Digital-Wandler mit hoher Abtastfrequenz einem Mikrocontroller zugeführt. Dieser wertet das Signal aus, wobei er dieses im Wesentlichen mit einem Erwartungswert vergleicht. Im Falle von Abweichungen erfolgt eine dem Charakter der Abweichungen angepasste Statusmitteilung, welche der Mikrocontroller aufgrund seiner Auswertung, bevorzugtermaßen unter Verwendung eines geeigneten Algorithmus', generiert und dann vermittels der Kommunikationseinheit an ein entferntes Empfangsgerät versendet. Ein solches Empfangsgerät kann ein Mobilgerät, vorzugsweise mit einer angepassten Applikation sein, mit welchem die Funktion des Weidezauns, geprüft und überwacht werden kann. Hierzu wird die Applikation Daten von dem Mikrocontroller erhalten und speichern, sowie einem Benutzer des Empfangsgeräts geeignete Mitteilungen und Signale senden, aufgrund derer der Benutzer über den Status des Weidezauns informiert wird und bedarfsweise eingreifen kann.
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Die Kommunikation zwischen der Kommunikationseinheit und dem Empfangsgerät erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des so genannten LoRaWAN-Netzwerkprotokolls, wobei LoRaWAN je nach Interpretation für Long Range Wide Area Network, oder auch für Low Radiation Wide Area Network steht. LoRaWAN ist insbesondere im Hinblick auf seine Energieeffizienz hin optimiert und erlaubt Datenraten von bis zu 50 kbit/s bei einem sehr geringen Energieverbrauch. Insbesondere kann bei einem Einsatz von Geräten mit dieser Technik, berücksichtigt man die Selbstentladung einer Versorgungsbatterie nicht, eine solche Versorgungsbatterie für eine Laufzeit von mehreren Jahren ausreichen. Dies gelingt durch eine Frequenzspreizung einerseits und eine Reduktion der Wiederholrate, sowie der Beschränkung der versandten Datenpakete auf ein Minimum.
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Ein kurzes Messintervall im Abstand mehrerer Minuten kann die Batterielebenszeit ebenfalls verlängern, ebenso ein Low Power Modus des Mikrocontrollers oder eine ereignisbasierte Steuerung desselben mittels Interrupts. Ein Auswertealgorithmus verbessert zudem die Präzision des Messsignals und bewirkt eine Reduktion der Datengröße, die per LoRaWAN übertragen werden soll auf ein Minimum, da Datenübertragungen nur ereignisbasiert oder als so genannte Keep-Alives in einem längeren Zeitintervall erfolgen.
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Die Verlagerung in einen sehr niedrigen, langwelligen Frequenzbereich sorgt außerdem dafür, dass die Reichweite von dem Weidezaun zu einem Empfangsgerät auch bei niedrigem Energieeinsatz sehr groß ist, mithin ausreichend ist, um den Weg von dem Weidezaun bis zu einem Empfangsgerät oder einem Gateway zu überbrücken.
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Eine derartige Sensoreinrichtung kann mit einigem Vorteil dadurch weitergebildet werden, dass der Kommunikationseinheit eine externe Antenne zugeordnet wird. Hierdurch ist der Standort der Antenne nicht durch die Position der Sensoreinrichtung vorgegeben, so dass die Antenne besonders günstig platziert werden kann. Insbesondere ist eine Positionierung an einer frei abstrahlenden Stelle, insbesondere erhöht, etwa auf einem Mast, möglich. Aufgrund einer geeigneten Positionierung kann die Reichweite der Anordnung auf bis zu 10 km erhöht werden.
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Eine weitere Verbesserung der Sensoreinrichtung kann mit dem Einsatz eines Spannungsteilers eingangs des Spannungsmessgeräts erreicht werden. Ein solcher Spannungsteiler konvertiert das Spannungssignal des Weidezauns aus dem Hochspannungsbereich in einen für das Spannungsmessgerät geeigneten Spannungsbereich. Dieser beeinflusst als hochohmiges Element die Spannung des Weidezaun nicht und gewährleistet damit ebenfalls eine lange Batterielaufzeit.
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Neben dem Einsatz einer externen Antenne kann auch die Zwischenschaltung eines Gateways, Access Points, Hubs oder dergleichen die Reichweite der drahtlosen Übertragung verlängern. Diese Einrichtungen sind an günstigen Empfangsstellen positioniert und empfangen das von der Kommunikationseinheit gesendete Signal. Je nach Art des Geräts senden sie es dann ihrerseits wieder aus oder koppeln es in ein anderes Übertragungsmedium ein, etwa in eine Kabelverbindung oder ein anderes Netzwerk. Dabei kann auch eine Signalverstärkung mit umgesetzt werden, so dass das ursprüngliche Signal eine vergrößerte Reichweite ohne Qualitätsverluste erhält.
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Die Statussignale können hierbei direkt im Empfangsgerät gespeichert werden. Für den Fall, dass ein Empfang zeitweise nicht möglich ist oder dass Statussignale verloren gehen könnten, können dem Mikrocontroller Mittel zur lokalen Speicherung des Sensorsignals zugeordnet sein, wofür sich insbesondere Speicherkarten, interne Flash-Speicher und dergleichen eignen. Diese können, sofern die Kommunikationsverbindung unterbrochen wurde oder auch eine lückenlose Protokollierung sichergestellt werden soll, direkt an der Sensoreinrichtung ausgelesen oder ausgetauscht und zum Auslesen mitgenommen werden.
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Hinsichtlich der Betriebsspannung sind ebenfalls mehrere Vorgehensweisen denkbar. Zunächst könnte die Betriebsspannung durch eine Aufladung über den Weidezaun selbst bereitgestellt werden. Allerdings sind Weidezäune üblicherweise ihrerseits batteriebetrieben und daher ohnehin eher auf eine kürzere Betriebszeit ausgelegt. Zudem soll auch der Wegfall der Betriebsspannung am Weidezaun im Zweifel als Fehler erkannt und dieser gemeldet werden können. Daher kann bevorzugtermaßen der Sensoreinrichtung wenigstens ein Akkumulator und/oder wenigstens eine Batterie zugeordnet sein, welche die Sensoreinrichtung mit elektrischer Energie versorgt. Ergänzend kann eine Solarzelle, also ein Photovoltaikmodul, vorgesehen sein, über welches ein Akkumulator wieder aufgeladen werden kann. Idealerweise kann in einem solchen Fall die Sensoreinrichtung theoretisch unbegrenzt, realistisch durchaus über mehrere Jahre hinweg, laufen.
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Dem Spannungsmessgerät kann darüber hinaus auch ein Spannungsfolger, vorzugsweise in Form einer Operationsverstärkerschaltung zugeordnet sein. Dies dient der Verbesserung der Qualität des Messergebnisses. Weiter verbessert werden kann dies durch den Einsatz separater Messkanäle für den positiven und den negativen Spannungsanteil der gemessenen Spannungsimpulse.
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Die Sensoreinrichtung ist üblicherweise in besonderem Maße dem Wetter ausgesetzt. Daher erscheint es sinnvoll, wenn äußere Einflüsse bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt werden. Wird insoweit eine allgemein hohe Luftfeuchte festgestellt, so kann die Empfindlichkeit für Fehler bedarfsweise herabgesetzt werden, da damit zu rechnen ist, dass Kurzschlüsse häufiger kurzzeitig auftreten, aber keine Fehlersituation vorliegt. Insoweit kann es sinnvoll sein, Aspekte wie insbesondere die Detektion der Luftfeuchte, der Umgebungstemperatur oder der Batteriespannung der Spannungsversorgung des Weidezauns sowie weiterer Parameter mithilfe von Sensoren erfasst und dem Mikrocontroller zugeleitet werden.
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Schließlich ist es sinnvoll, die Sensoreinrichtung in einem wasserdichten Gehäuse anzuordnen, vorzugsweise zu kapseln, so dass ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere der Sensoreinheit zu verhindern. Dies betrifft idealerweise sowohl ein Abweisen von Spritzwasser, etwa bei Regen, als auch eine wasserdichte Kapselung gegen das Einkriechen von geringen Wassermengen durch etwaige Öffnungen, insbesondere im Bereich von Kabeldurchlässen.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt einen Weidezaun 1, welcher von einer Batterie 12 unter Spannung gegenüber einem in das Erdreich getriebenen Erdnagel 7 gesetzt wird. Der Weidezaun 1 weist wenigstens einen umlaufenden, blanken Leiter auf, an den die Batterie 12 mit einer Klemme angeschlossen ist. Hierdurch wird ein Potenzial gegenüber dem Erdreich an den Leiter angelegt, welcher bei einer Kontaktierung durch ein innerhalb des Weidezauns 1 befindliches Tier diesem einen kurzen elektrischen Schlag versetzt. Das Tier erschrickt und weicht von dem Weidezaun 1 zurück, so dass ein Beschädigung des Weidezauns 1 durch das Tier vermieden wird. Hierbei wird die Spannung nicht dauerhaft an den Leiter angelegt, sondern vielmehr getaktet in Intervallen, so dass eine wesentlich geringere Energie ausreicht, um den Weidezaun 1 über einen langen Zeitraum hinweg mit Spannung zu beaufschlagen, sowie das Tier möglichst nur zu erschrecken und nicht zu verletzen.
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Zur Überwachung der Funktion des Weidezauns 1 ist diesem zunächst ein Spannungsmessgerät 3 zugeordnet. Das Spannungsmessgerät 3 ist hierbei in der Lage, auch Hochspannung sehr kurzer Impulsdauer zu erfassen, um eine korrekte Funktionsweise des Weidezauns 1 zu gewährleisten. Die Messwerte des Spannungsmessgeräts 3 werden letztlich einem Mikrocontroller 6 zugeführt, welcher diese Messwerte anhand eines Algorithmus' auswertet und auf Basis dieser Auswertung ein Statussignal generiert, welches vermittels einer Kommunikationseinheit 10 an ein entferntes Empfangsgerät 11, etwa ein Smartphone oder dergleichen, übermittelt wird. Die Statussignale können dabei entweder periodisch oder ereignisbasiert generiert und übermittelt werden, wobei die letztere Vorgehensweise zu weniger Statusmeldungen und daher zu einem geringeren Energieverbrauch führen wird. Auch eine Mischform mit grundsätzlich ereignisbasierter Benachrichtigung aber einer geringen Anzahl regelmäßiger Statusmeldungen ist möglich und erscheint ein sinnvoller Kompromiss zu sein, damit auch die Funktion der Überwachung selbst vom Empfangsgerät 11 aus kontrollieren zu können. Die Übertragung durch die Kommunikationseinheit 10 erfolgt über eine hier nicht separat dargestellte, externe Antenne, die erhöht an einem Mast aufgehängt ist und damit die Reichweite einer Übertragung deutlich erhöht. Durch die Nutzung des LoRaWAN-Netzprotokolls, bei dem inhaltlich optimierte Statussignale mit niedriger Datenrate und niedriger Übertragungsfrequenz, somit langwellig, ausgestrahlt werden, wird der Energieverbrauch niedrig gehalten, aber gleichzeitig eine Reichweite in der Größenordnung von 10 km erzielt, mit der auch im ländlichen Raum eine ausreichende Übertragungsstrecke erreicht werden kann. Dies insbesondere dann, wenn ergänzend Gateways, Hubs, Repeater oder dergleichen zusätzliche Infrastruktur zur Aufbereitung, Weiterleitung oder Einkopplung der Statussignale in andere Netze eingesetzt werden.
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Zwischen dem Weidezaun 1 und dem Spannungsmessgerät 3 ist ein Spannungsteiler 2 vorgesehen, welcher die Sensoreinheit zu einer hochohmigen Last macht und die Batterie 12 damit möglichst wenig belastet. Dem Spannungsmessgerät 3 nachgeschaltet ist ein Spannungsfolger 4 in Form eines Operationsverstärkers, sowie ein schneller Analog-Digital-Wandler 5, mit dessen Hilfe eine Aufbereitung der Messsignale für den nachfolgenden Mikrocontroller 6 erfolgt. Die Sensoreinheit wird über eine eigene Spannungsquelle 8 mit Spannung versorgt, wobei es sich um einen Akkumulator sowie ein diesem zugeordnetes Solarzellenmodul handelt, so dass die Energieversorgung der Sensoreinheit hierüber über einen Zeitraum von mehreren Jahren wartungsfrei aufrecht erhalten werden kann.
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Vorstehend beschrieben ist somit eine Sensoreinheit zur Funktionsüberwachung eines elektrisch gesicherten Weidezauns, welche autark in ländlichen Gebieten mit unsicherer Mobilfunknetzabdeckung eingesetzt werden kann und die gleichzeitig einen energieeffizienten Betrieb erlaubt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Weidezaun
- 2
- Spannungsteiler
- 3
- Spannungsmessgerät
- 4
- Spannungsfolger
- 5
- Analog-Digital-Wandler
- 6
- Mikrocontroller
- 7
- Erdnagel
- 8
- Spannungsquelle
- 9
- Gehäuse
- 10
- Kommunikationseinheit
- 11
- Empfangsgerät
- 12
- Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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