EP2599067B1

EP2599067B1 - Voll-duplex funkkommunikationsverfahren in einem synchronen funksystem einer gefahrenmeldeanlage

Info

Publication number: EP2599067B1
Application number: EP11748606.8A
Authority: EP
Inventors: Lotfi Makadmini
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: WO2012013692A1; EP2599067A1

Description

I. Anwendungsgebiet

Die Erfindung behandelt ein Voll-Duplex-Funkkommunikationsverfahren zur Vermeidung von Kommunikationsstörungen und zur Einhaltung der Duty-Cycle Regelung in einem Kommunikationssystem, insbesondere einer Funk-Gefahrenmeldeanlage.
Außerdem behandelt die Erfindung ein Funkkommunikationsverfahren zur Vermeidung von Kommunikationsstörungen und zur schnellen Alarmbenachrichtigung in einem Kommunikationssystem, insbesondere einer Funk-Gefahrenmeldeanlage.

II. Technischer Hintergrund

Funk-Gefahrenmeldeanlagen umfassen Meldesensoren, auch Nebenstationen genannt, die im Fall einer detektierten Gefahr, z.B. Brand, Einbruch, eine Gefahrenmeldung über eine Funkverbindung an eine Gefahrenmeldezentrale, auch Hauptstation oder allgemein Zentrale genannt, übermitteln, in der zur Beseitigung der Gefahr weitere Maßnahmen, z.B. einer Alarmierung der Feuerwehr bzw. der Polizei, eingeleitet werden.
Die Nebenstationen umfassen dabei in der Regel eine Sende- und eine Empfangseinrichtung und sollen für einen Einsatz an unzulänglichen Orten möglichst autark, d.h. mit einer Batterie und nicht durch einen Kabelanschluss an einem Stromnetz betrieben werden. Dafür sind alle Komponenten der Nebenstation möglichst stromsparend auszulegen, und die Komponenten sollten auch nur zu bestimmten periodischen Zeiten, typisch alle 32 Sekunden, eingeschaltet werden und nicht ständig im Betrieb sein. Ein solcher "Schlafmodus" oder Standby-Betrieb bezieht sich allerdings nur auf die Funkkommunikation, weil hier die Stromaufnahme am größten ist.
Was die Anwendung betrifft, also die Einbruch- oder Brandüberwachung als eigentliche Aufgabe der Sensoren, sind die Nebenstationen typisch jede 1 Sekunde wach. D.h. unabhängig von jeder Art der Funkkommunikation, wacht jede Nebenstation typisch einmal pro Sekunde für sehr kurze Zeit auf, je nach Sensor von ein paar µS bis ein Paar mS, überwacht die Sensortätigkeit auf Alarm oder nicht Alarm: Bei einem Brandmelder z.B. wird die Rauchdichte überwacht. Bei einem Gassensor wird die Gaskonzentration kurz gemessen. usw. Wird einen Alarm detektiert, dann wird sofort die Funkeinheit aus dem Schlafmodus geweckt und eine Alarmmeldung wird gesendet. Der Sensorteil verbraucht typisch 1mA Strom. Der Funkteil verbraucht typisch 20 mA Strom.
Im Nichtalarmfall wachen in regelmäßigen Abständen von z.B. 32 Sekunden, wachen direkt nacheinander der Anwendungsteil und dann die Funkeinheit auf, wenn Eine Routinekommunikation zur Hauptstation fällig ist.
Die Meldesensoren sollen für einen Einsatz an allen möglichen Orten möglichst autark mit einer Batterie, je nach Sensor 5 bis 10 Jahre Lebensdauer, betrieben werden.
Aus EP 0 911 775 ist beispielsweise ein Gefahrenmeldesystem und ein Verfahren zur Funkübertragung in einem solchen System bekannt, welches bidirektional aufgebaut ist und dessen Komponenten energiesparend ausgelegt sind. Dieses Verfahren, basierend auf den Quittungsbetrieb, hat vier Hauptnachteile, d.h. es weist vier Einschränkungen auf:

1. Unbemerkte Kommunikationsstörung, was zu regelmäßigen Störungen führt.
2. Häufiger Verlust der Synchronisation zwischen Neben- und Hauptstation, was auch zu häufigen Störungsmeldungen führt,
3. Verletzung der Duty Cycle Anforderungen z.B. der Norm EN300220 V2.3.1 im Frequenzband 868 MHz und
4. Hohe Kollisionsgefahr beim Auftreten von mehreren gleichzeitigen Alarmen.

Kommunikationsstörung:

Beim nach EP 0911775 beschrieben System handelt es sich um synchrones Funksystem mit Quittungsbetrieb, bei dem eine unbemerkte Kommunikationsstörung auftreten kann.
In synchronen Systemen ist es unabdingbar, dass beide Kommunikationspartner den gleichen Informationsstand haben, um so in entsprechender Art und Weise auf auftretende Situationen reagieren zu können. Aufgrund des Einsatzes von Gefahrenmeldeanlagen muss eine bestmögliche Funktionalität gegeben sein. Eine Störung dieser Funktionalität muss erkannt werden und an einer übergeordneten Zentralstelle zur Anzeige gebracht werden.
Deswegen muss jede Nebenstation (Slave) beispielsweise alle 32 Sekunden durch das Senden eines bestimmten Signals, eines s. g. "Routinesignals", der Hauptstation (Master) anzeigen, dass diese noch funktionsfähig ist. Dieses Signal wird dann von der Hauptstation durch ein Quittungssignal beantwortet. Der Austausch von diesen beiden Signalen wird Integritätsprüfung genannt.
Bei der Ausführung der Integrationsprüfung können aus den verschiedensten Gründen immer wieder Fehler auftreten. Problematisch ist das Auftreten von Fehlern, wenn diese zu spät erkannt, unbemerkt bleiben oder nur mittels einer dritten Partei (das kann z.B. eine zusätzliche externe Neben- oder Hauptstation sein) erkannt werden können. Diese zusätzliche dritte Partei ist allerdings nicht immer vorhanden. Im Folgenden wird beispielhaft erklärt, wie ein Kommunikationsfehler /Störung unbemerkt bleiben kann:
Nach dem Verfahren aus EP 0911775 treten zwei Kommunikationspartner im Quittungsbetrieb miteinander in Verbindung. Dies bedeutet, dass Kommunikationspartner A eine Nachricht an Kommunikationspartner B sendet und Kommunikationspartner B den Empfang dieser Nachricht durch das Senden einer Bestätigungsnachricht an Kommunikationspartner A quittiert. Hierbei kann es prinzipielle zwei Möglichkeiten einer Kommunikationsstörung geben.

1. Die Nachricht kommt nicht beim Empfänger (Hauptstation / Master) an. Entsprechend wird keine Quittungsnachricht gesendet.
2. Die Nachricht wurde korrekt empfangen, die Quittung kommt aber nicht beim Sender (Nebenstation / Slave) der Nachricht an.

Fall 1:

Der Empfänger weiß, dass er nichts empfangen hat, dadurch bleibt die Quittung aus und somit weiß auch der Sender, dass seine Nachricht möglicherweise nicht übermittelt wurde. Beide gehen davon aus, dass eine Störung vorliegt und handeln dementsprechend.

Fall 2:

Deutlich schwieriger ist es im zweiten Fall. Wie bei Fall 1 weiß der Sender zwar, dass die Nachricht möglicherweise nicht übermittelt wurde und aktiviert die Störungsbeseitigungsmechanismen. Er weiß jedoch letztlich nicht, ob die Quittung vom Empfänger nicht gesendet wurde oder ob der Sender sie nur nicht empfangen konnte. Der Empfänger der Nachricht geht jedoch davon aus, dass alles in bester Ordnung ist und hat keine Veranlassung die Störungsbeseitigungsmechanismen zu aktivieren. Von nun an gehen beide Kommunikationspartner von unterschiedlichen Voraussetzungen aus. Solange sie dies tun werden sie nicht sinnvoll miteinander kommunizieren können.
Vereinfacht lässt sich zu Fall 2 sagen, dass der Empfänger den Sender hört, der Sender hört den Empfänger jedoch nicht. In diesem Fall kommt die Nachricht zwar an, die Quittung geht jedoch verloren.
Das Ausbleiben einer positiven Quittung vom Empfänger, ist für den Sender das Zeichen für einen Wechsel der Kommunikationsfrequenz. Auf der neuen Frequenz versucht der Sender wieder, mit dem Empfänger Kontakt aufzunehmen. Dies kann jedoch nicht gelingen, da der Empfänger die Integrationsprüfung bereits mit positivem Ergebnis beendet hat.
Um diese Kommunikationsstörung zu vermeiden, könnte man noch eine zusätzliche Nachfrage einbauen. Für den Fall dass die Quittung des Empfängers ausbleibt oder vom Sender nicht richtig verstanden wird, sendet der Sender die Nachricht erneut. Der Empfänger muss zusätzlich noch einmal in den Empfangsmodus gehen und erneut eine Quittung senden. Das Problem beginnt an dieser Stelle erneut, wenn der Sender die zweite Quittung auch nicht versteht. Eine zusätzliche Nachfrage (also das wiederholte Senden der Nachricht) löst das Kommunikationsproblem nicht grundsätzlich. Hinzu kommt, dass beide Kommunikationspartner jeweils zweimal senden müssen und zweimal empfangen müssen. Dies bringt Nachteile für den Stromverbrauch und verkürzt somit die Lebensdauer.
Die oben beschriebene Störung ist nur ein Beispiel von mehreren möglichen Kommunikationsstörungen des auf Quittungsbetrieb basierenden synchronen Funksystems.

Synchronisationsproblem:

Bei dem aus dem EP 0 911 775 bekannten Gefahrenmeldesystem findet die Funkkommunikation zwischen Neben- und Hauptstation für die Integritätsprüfung typischerweise alle 32 Sekunden statt. Es handelt sich hierbei um ein streng synchrones System. Beide Kommunikationspartner arbeiten dabei zeitlich synchronisiert und es kann häufig zu einer Fehlkommunikation kommen, wenn die Nebenstation den exakten Zeitpunkt für eine Kommunikation verpasst. Trotz Kalibrierung in der Fertigung kann dies aus den verschiedensten Gründen passieren: Alterung der Quarze, Temperaturunterschiede zwischen Haupt- und Nebenstation, unterschiedliche Feuchtgrade, usw. Kommt es zu einer Fehlkommunikation, so muss die Hauptstation immer wieder ein Hilfssignal (Synchronisationssignal) an die Nebenstation senden, damit die Funkkommunikation wieder aufgebaut werden kann. Dies geht zu Lasten der Stromaufnahme der Nebenstation. Dauert die Störungskommunikation länger, so muss sie der übergeordneten Kontrollstation/Zentralstelle immer wieder gemeldet werden, was man äußerst vermeiden möchte.
Damit eine Synchronisation immer wieder problemlos gelingt, müssen bei jeder Funkkommunikation die Zeituhren der jeweiligen Haupt- und Nebenstationen immer wieder aufeinander abgestimmt werden.
Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, im Anschluss an jede erfolgreiche Kommunikation eine Synchronisation durchführen. Doch dies geht zu Lasten der Stromaufnahme der Nebenstation und führt schließlich zu einer verringerten Lebensdauer.

Verletzung der Duty-Cycle Anforderung der Norm EN 330220 V2.3.1 bei 868 MHz:

Das aus EP 0911775 beschriebenes System kann den größten Teil der neuen Duty-Cycle Anforderungen des Frequenzbandes 863-870 MHz nicht erfüllen. Bis auf ein paar Ausnahmen fordert die neuste ETSI Norm EN300220 V2.3.1 vom Februar 2010, einen Duty Cycle von überwiegend 0,1%. In Ausnahmefällen sind 1%, 10% und 100% erlaubt.
Ein Verfahren aus dem EP0911775 hat eine typische Zeiteinheit von einer Sekunde. Typischerweise wird alle 32 Sekunden die Systemintegrität eines Meldesensors (Nebenstation) über Funk überprüft. Dabei sendet die Nebenstation für ca. 10 ms und die Hauptstation (Master) ebenfalls für 10 ms eine Nachricht.
Betrachtet man nur die Nebenstation, so erwacht diese typischerweise alle 32 Sekunden und kommuniziert mit der Hauptstation. Die Duty Cycle Anforderung von 0,1% ist somit erfüllt. Betrachtet man hingegen die Hauptstation, die einmal je Sekunde für eine Kommunikation aufwacht, so ist die Duty Cycle Anforderung von 0,1% verletzt, da jede Sekunde eine Kommunikation von mindestens 10 ms Dauer stattfindet.
Ein solches System kann nach der neuesten Norm EN300220 nicht zugelassen werden. Eine Sondergenehmigung ist notwendig. So wäre man gezwungen, alle Frequenzkanäle, die 0,1% Duty Cycle Anforderungen haben, zu meiden und nur die sehr wenigen Frequenzkanälen zu verwenden, die 1%, 10% und 100% Duty Cycle erlauben.
Für das Frequenzband 863-870 MHz würde dies bedeuten, dass auf die Mehrzahl der Frequenzkanäle verzichtet werden muss. Vor allem müsste man auf die begehrten Frequenzkanäle verzichten und nur in wenigen Frequenzkanälen arbeiten, die ohne hin stark belegt sind.

Kollisionsgefahr bei mehreren Alarmen:

Eine Hauptstation/Master versorgt typischerweise 32 Nebenstationen/Slaves. Im Falle eines Flächenbrandes oder eines Einbruchs löst selten nur ein einziger Melder einen Alarm aus. Meistens werden in diesem Fall viele Alarme von mehreren Melder ausgelöst. Auch von einem einzigen Melder können mehrere Alarmstufen ausgelöst werden. In diesem kritischen Fall, wofür eigentlich die ganze Anlage installiert wurde, können die wichtigen Alarmnachrichten mit den üblichen Nachrichten der Integritätsprüfung kollidieren. Für diesen Fall, sollte eigentlich der Frequenzkanal frei für Alarmnachrichten sein. Der Verzicht oder das Ausschalten der Nachrichten zur Integritätsprüfung ist auch im Alarmfall gesetzwidrig.
Verschiedene Normen der Brand- und Einbruchmeldetechnik fordern streng eine maximale Übertragungszeit des Alarms. Die maximale Übertragungszeit der Alarmnachricht darf in keinem Fall überschritten werden. In der Norm EN54-25 ist als Alarmzeit, also der Zeit, zwischen Registrierung eines Alarms durch einen Sensor und dem Anzeigen der Alarm-Nachricht durch die übergeordnete Zentrale (z.B. Brandmeldezentrale), eine Zeit von 10 Sekunden festgelegt. Allein für die Verarbeitung und die Verifikation der Nachricht durch die übergeordnete wird eine Zeitdauer von 6 -8 Sekunden beansprucht. Das bedeutet, dass für eine Nachrichtenübertragung von Nebenstation zur Hauptstation höchstens 2 Sekunden zur Verfügung stehen.
Weiter beschreibt EN54-25 einen Test, wie gleichzeitig 10 Alarme ausgelöst werden können und somit eine mögliche Kollision provoziert wird. Bei diesem Test wird streng überwacht, ob die in der Norm festgelegten 10 Sekunden Alarmierungszeit zur Anzeige des Alarms bei der übergeordneten Zentrale eingehalten wird.
Um diese Zeit einzuhalten, darf unter keinen Umständen die Übertragung der Alarmnachricht von der Nebenstation zur Hauptstation länger als 2 Sekunden dauern. Dies gilt im Besonderen für den Fall von Mehrfachalarmierungen (also dem gleichzeitigen Auftreten von Alarmen bei mehreren Sensoren/Nebenstationen).
Wenn in einem solchen Fall von mehreren Nebenstationen spontan und ohne Regelung Nachrichten abgesetzt werden, kommt es zu einer Kollision und die 10 Sekunden Grenze kann nicht eingehalten werden. Dies ist dadurch begründet, dass das Auflösen einer Kollision und das anschließende geordnete Senden der Nachrichten weit mehr als 10 Sekunden dauert.
Augenscheinlich ist die geordnete Übertragung einer einzelnen Alarmnachricht der Normalfall und das Auftreten von mehreren gleichzeitigen Alarmmeldungen, die zu einer Kollision führen die Ausnahme.
Das ist falsch und es gilt vielmehr der umgekehrte Fall: Bei einem Großbrand kann es sehr leicht vorkommen, dass mehrere Sensoren gleichzeitig den Brand detektieren und in der Folge zur gleichen Zeit ihre Alarmnachricht abschicken. Eine Kollision der Alarmnachrichten aller 32 Nebenstationen ist also sehr realistisches Szenario.
Gerade bei einem solchen Härtefall, der eher als Normalfall angesehen werden muss, zeigt sich die Robustheit eines Funk-Meldesystems.
Im Alarmfall sendet die Nebenstation, des im EP 0 911 775 beschriebenen Systems, sofort und unmittelbar eine Funknachricht an die Hauptstation. Dabei kann diese Funknachricht mit anderen Alarmmeldungen oder Meldungen der normalen Kommunikation anderer Nebenstationen kollidieren. Auch die anderen Nebenstationen/Melder, die sich im Alarmzustand befinden, müssen sofort und unmittelbar senden, ohne jegliche Rücksicht auf andere Funknachrichten.
Bis die Kollision aufgelöst wird, vergeht kostbare Zeit.

Ausfall der Kommunikation zwischen einer Nebenstation und der Hauptstation

In Funkübertragungssystemen können während der langen Lebensdauer der Systemkomponenten immer mal wieder Störungen im Empfang der Nachrichten auftreten. Diese Störungen können zum Beispiel aufgrund von Fading-Effekten auftreten. Darunter versteht man die Abschwächung oder Verschwinden (fading: engl. Schwund) des HF-Feldes, das zur Folge hat, dass die Kommunikation zwischen der Hauptstation und einer bestimmten Nebenstation unterbricht.
Um dieser Problematik zu begegnen und eine stabile Kommunikation zu ermöglichen, sorgt man für eine hohe Signalreserve. Trotzdem kann es vorkommen, dass sog. "Fading-Löcher" entstehen, in denen an bestimmten lokalen Stellen keine Kommunikation möglich ist. Dies ist durch die Art und Weise begründet, wie sich Funkwellen in Innenräumen ausbreiten. Selten gibt es nur den direkten Pfad zwischen den beiden Kommunikationspartnern. Vielmehr entstehen an Wänden und Decken/Böden sowie an anderen größeren Objekten Reflexionen der Elektromagnetischen Wellen und damit zu einer Mehrwegeausbreitung. Diese verschiedenen Übertragungswege überlagern sich am Empfänger, je nach Phasenlage entweder konstruktiv oder destruktiv. Bei konstruktiver Überlagerung gibt es kein Problem, jedoch kommt es bei destruktiver Überlagerung zu einer Signalauslöschung, was in Fading-Löchern resultiert.
Aus dem Stand der Technik ist folgende Abhilfe für das genannte Problem bekannt:

Erhöhung der Empfindlichkeit. Die Störungswahrscheinlichkeit sinkt bei einer sehr hohen Empfindlichkeit von z.B. -122 dBm (Datenrate 5 kBit/s bzw. 10 kBaud Manchester) rapide.
Umschaltung zwischen verschiedenen Antennenkombinationen
Umschaltung auf zweite oder dritte Arbeitsfrequenz
Erhöhung der Sendeleistung bei der Haupt- und/oder bei der Nebenstation, bis die nach der Norm maximal erlaubte Sendeleistung im jeweiligen Frequenzband erreicht ist.

Ein Funksystem, bei dem nicht wenigstens die Maßnahmen 1 bis 4 Anwendung finden, kann nicht störungsfrei über die gesamte Lebensdauer (von 5 bis 10 Jahren) hinweg arbeiten.
Für Gefahrenmeldeanlagen (z.B. Einbruch oder Brand) sind diese Maßnahmen nicht ausreichend, denn Störungen der Kommunikation müssen nach Möglichkeit vermieden werden. Sollte dennoch eine Störung auftreten, dann muss sie angezeigt und weitergeleitet werden. Dies wird auch mit einem finanziellen Schaden verbunden sein: Ein Installateur muss jedes Mal die Anlage unverzüglich untersuchen und der Störung auf den Grund gehen.
Um die Zuverlässigkeit eines Funknetz-Systems bei dem oben angegeben Störungen zu erhöhen, kann als weitere Maßnahme die Nachrichten von der Nebenstation zur Hauptstation umgeleitet werden. Dies gilt immer dann als eine geeignete Maßnahme, wenn eine Kommunikation auf direktem Wege nicht zustande kommt. Diese Thematik wird bereits in mehreren Veröffentlichungen, wie z.B. der Druckschrift EP1244082A1 , behandelt.
Bei dem in EP 1 244 082 A1 beschriebenen System handelt es sich um eine bidirektionale Funk-Gefahrenmeldeanlage mit einer Hauptstation M und mehreren Nebenstationen (S1, S2, S3, S4 ...). Kommt die Funknachricht, die z.B. von der Hauptstation M zur Nebenstation S1 gesendet wird, wegen schlechter Ausbreitungsverhältnisse bei der Nebenstation nicht an, so wird diese komplette Nachricht über eine andere Nebenstation S2, oder S3 oder S4, je nach Verfügbarkeit, an S1 weitergeleitet.
Dieses Verfahren ist scheinbar hilfreich gegen die Art Störungen, die oben beschrieben sind. Es hat aber zwei Hauptnachteile. Anhand eines Beispiels werden diese Nachteile erläutert:

Die Hauptstation M hat typischerweise 32 Nebenstationen S1 bis S32.

Die direkte Kommunikation zwischen der Hauptstation M und (beispielsweise) Nebenstation S10 ist unterbrochen. S10 hat beispielsweise die Nebenstation S9 als "Broker", die in diesem kritischen Fall S10 bei der Weitergabe der Nachrichten helfen soll. Dabei wird jede Meldung von M an S10 (oder umgekehrt von S10 an M) über S9 umgeleitet. S9 ist bei diesem System eine Art "Kofferträger". S9 leitet einfach nur die Nachricht weiter und interessiert sich nicht über den Inhalt der Nachricht. Ob es dabei um eine normale Nachricht oder um Alarmnachrichten handelt, ist für den Broker S9 gleichgültig. Die Hauptstation M fordert den Broker S9 auf, wach zu bleiben um "wichtige" Meldungen von oder zur Nebenstation S10 zu übermitteln. S9 merkt allerdings erst nach 32 Sekunden, dass S10 Hilfe braucht. Denn um Strom zu sparen, ist jede Nebenstation nur alle 32 Sekunden kurzzeitig wach. In dieser kurzen Zeit läuft die Integritätsprüfung. D.h. S9 kann gar nicht sofort merken, dass S10 Hilfe benötigt. Denn bis die Hauptstation M und S10 merken, dass die Kommunikation tatsächlich ausgefallen ist, befindet S9 längst wieder im Schlafmodus.
Erst nach 32 Sekunden wacht S9 erneut auf und bleibt notfalls wach, um keine Meldung mehr zu verpassen. Erst dann alarmiert die Hauptstation M die Nebenstation S9, dass die direkte Kommunikation mit S10 unterbrochen ist und ihre Hilfe dringend gebraucht wird.
Dieser Zustand ist nicht unbedingt ein vorübergehender Zustand. Er könnte Stunden, Monate und sogar Jahre dauern, ohne dass die Übergeordnete Gefahrenmeldeanlage (Brandmeldezentrale, Einbruchsmeldezentrale) etwas merkt.
Wie bereits an anderer Stelle ausführlich beschrieben, benötigt die übergeordnete Gefahrenmeldeanlage (Brandmeldezentrale, Einbruchsmeldezentrale) für die Verifizierung und Weiterverarbeitung der Alarmnachricht 6 bis 8 Sekunden, bis diese den Alarm meldet. Die entsprechenden Normen, z.B. die EN54, schreiben ausnahmslos vor, dass eine Alarmierung höchstens 10 Sekunden dauern darf. Eine Alarmnachricht von der Nebenstation S10 muss also innerhalb von zwei Sekunden bei der Hauptstation M ankommen. Bei einer Nachrichtenumleitung in der oben beschriebenen Art (über den Broker S9) ist es allerdings nicht möglich, dieses Zeitlimit einzuhalten. Die Übertragung dauert mindestens 32 + 2 Sekunden.
Wäre der ausgewählte Broker S8 bzw. S7, statt S9, würden die Alarmmeldungen [31 + 2] bzw. [30 + 2] Sekunden dauern, weil die Nebenstationen in der Reihenfolge ihrer Nummerierung durch die Hauptstation abgefragt werden.
Die Nebenstation S10 kann in seltenen Fälle S11 (S11 wird direkt im Anschluss an S10 abgefragt) als "Favorit Broker" auswählen. Selbst dann würde die Alarmmeldung mindestens eine Sekunde länger dauern (2 + 1).
Außerdem ist S11 als Favorit Broker nicht ideal. Bis die Hauptstation M und die Nebenstation S10 den Ausfall der Kommunikation merken, melden und den Umleitungsmechanismus einleiten, sind eine oder zwei Sekunden schon vergangen. S11 oder S12 können nicht rechtzeitig reagieren und gehen nach der Integritätsprüfung wie üblich in den Schlafmodus, um Strom zu sparen. Nur so wird die lange Lebensdauer garantiert.
S11 und sogar S12 merken vom Umleitungsmechanismus noch nichts. Erst beim nächsten Zyklus, also nach 32 Sekunden, kann die Nebenstation S11 oder S12 vom Problem bei Nebenstation S10 erfahren und Hilfestellung leisten. Ein idealer Broker für S10 wäre so die Nebenstation S13 oder S14. Allerdings, auch bei S13 oder S14 dauert die Alarmmeldung statt 2 Sekunden, 2+3 (S13) oder 2+4 (S14) Sekunden. Addiert man die 6 bis 8 Sekunden Verifizierung und Weiterverarbeitung der übergeordneten Gefahrenmeldeanlage, so kommt man im besten Fall auf eine Alarmreaktionszeit von 13 bzw. 14 Sekunden. D.h., unabhängig welche Nebenstation als Broker agiert, wird die Norm selbst bei der kürzesten Alarmreaktionszeit verletzt, da die vorgeschriebenen 10 Sekunden überschritten werden.
Ein System, das nach einem solchen Verfahren darf nicht zugelassen werden, weil bereits systembedingt die Norm verletzt wird. Erschwerend kommt die Tatsache hinzu, dass die Auswahl des idealen Brokers, nicht nach Nummern und zeitlichen Folge der Nebenstationen (also hier 13 oder 14) getroffen wird, sondern nach der Erreichbarkeit und Stärke des HF-Signals. Der beste Broker ist demnach in der Praxis nicht unbedingt S13 oder S14, sondern beliebig auf andere Nebenstationen verteilt.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahren ist: Nebenstationen, die als Broker arbeiten, müssen nicht nur im Alarmfall, sondern auch im Normalfall (bei der Integritätsprüfung) die Kommunikation zur Hauptstation herstellen. Dies kann, wie bereits erwähnt, für einen längeren Zeitraum andauern. Der Broker (im Beispiel die Nebenstation S9) müsste dann die doppelte Arbeit verrichten. Das führt dazu, dass sich die Lebensdauer der Nebenstation S9 verringert und sich im schlimmsten Fall auf die Hälfte reduziert. Brauchen mehrere Nebenstationen Hilfe von den Nachbarn, so sinkt die Lebensdauer nicht nur bei einer Nebenstation, sondern bei weiteren Nebenstationen auch. Typischerweise liegt die maximale Anzahl von Nebenstationen, die von einer Hauptstation verwaltet werden können deutlich unter 32. In der Praxis liegt diese Zahl eher bei 6 bis 8 Nebenstationen. Dadurch stehen einer Nebenstation von a priori nur wenige potentielle Broker zur Verfügung.
Der Zyklus, mit dem die Nebenstationen abgefragt werden, bleibt dennoch bei 32 Sekunden, denn eine kürzere Abfrageperiode bedeutet, dass jede Nebenstation häufiger aus dem Schlafmodus in den Normalmodus umschalten muss. Dies ist mit einem höheren Stromverbrauch der Nebenstationen verbunden, was eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer mit sich bringt.
WO00/70573 zeigt ein Überwachungs- und Kontrollsystem mit einer Hauptstation und mehreren Nebenstationen. Eine Kommunikation zwischen den Stationen erfolgt über Funk, wobei eine bi-direktionale Kommunikation möglich ist. Dabei ist eine Routineüberprüfung des Systemzustands der Nebenstationen vorgesehen, wobei eine Identifikationsnummer der Nebenstation, die Batteriespannung etc. mit übermittelt werden kann. Die Stationen können zwar die Fähigkeit aufweisen, gleichzeitig zu senden und zu empfangen, vorzugsweise erfolgt das Senden und Empfangen durch eine Station jedoch zeitlich zueinander versetzt.

III. Darstellung der Erfindung

a) Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Funkkommunikationsverfahren und ein hierfür ausgelegtes Kommunikationssystem bereitzustellen, bei dem die Kommunikation zuverlässiger ist. Insbesondere sollen dabei dringende Nachrichten rechtzeitig übermittelt werden.

b) Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patenansprüche gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Die Erfindung bezieht sich auf ein synchrones Verfahren zur Funkübertragung in einem Meldesystem, insbesondere einem Gefahrenmeldesystem.
Das Meldesystem weist dabei eine Hauptstation und mindestens eine Nebenstation auf. Die Nebenstation kann einen Zustandsmelder aufweisen und/oder mit einem solchen verbunden sein.
Es werden dabei von den Meldern erfasste Informationen über die Nebenstationen an die Hauptstation gesendet, einschließlich einer Identifikation der Nebenstation und/oder des Melders, wie beispielsweise einer Adresse. Innerhalb einer Gesamtperiode, d. h. innerhalb der Zeitdauer für die standardmäßige Überprüfung des gesamten Systems, also der Kommunikationsfähigkeit zwischen Hauptstation und jeder Nebenstation, wird der Zustand einer jeden Nebenstation nacheinander geprüft.
Für diese Überprüfung sendet die Hauptstation ein Hauptstationsroutinesignal an eine Nebenstation und zeitgleich diese Nebenstation ein Nebenstationsroutinesignal an die Hauptstation. Dieses gleichzeitige Signalsenden und der dazugehörige Datenaustausch zwischen der Hauptstation und einer Nebenstation erfolgt einmal in der Gesamtperiode. Somit sendet die Hauptstation innerhalb einer Gesamtperiode ein Routinesignal so oft, wie das Meldesystem Nebenstationen aufweist. Dabei sendet die Hauptstation das Hauptstationsroutinesignal in einem ersten Kanal und die Nebenstationen ihr jeweiliges Nebenstationsroutinesignal in einem zweiten Kanal.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um Frequenzkanäle.
Die Hauptstation und die Nebenstationen können den Erhalt des empfangenen Routinesignals quittieren. Hierfür ist denkbar, dass die Hauptstation und die jeweilige, zeitgleich ein Routinesignal sendende Nebenstation am Ende ihres Routinesignals eine Quittung mitsenden. Diese Quittung kann dabei belegen, dass zumindest der Anfang der/des parallelen Routinesignale/s eingegangen ist.
Da jedoch eine Auswertung des gesamten eingegangenen Routinesignals erst nach dem vollständigen Erhalt möglich ist, erfolgt eine solche inhaltliche Interpretation des empfangenen Nebenstations- bzw. Hauptstationsroutinesignals durch die Hauptstation bzw. die jeweilige Nebenstation erst, sobald das vollständige Routinesignal empfangen wurde.
Es besteht nun die Möglichkeit, dass eines der beiden Routinesignale nicht korrekt empfangen wurde. In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass beide Stationen, d. h. Haupt- wie Nebenstation, diesen Zustand dadurch erkennen, dass die eine Station das Routinesignal nicht erhalten und die andere Station in dem empfangenen parallelen Routinesignal keine Quittung erhalten hat. Daraufhin können die Hauptstation und die jeweilige Nebenstation auf einen anderen Kanal innerhalb des Frequenzbereichs wechseln, in welchem das Routinesignal nicht übermittelt werden konnte. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der andere Kanal ein benachbarter Frequenzkanal zu dem zuvor gewählten ist. Somit wird vorzugsweise also lediglich eine Veränderung um wenige Kilohertz angestrebt. Vorteilhafterweise kann weiterhin die Hauptstation in einem s. g. "Broadcast"-Signal, welches ein Signal ist, das an alle Nebenstationen gerichtet ist, mitteilen, dass der betreffende gestörte Frequenzkanal geändert wurde. Im weiteren Routineprüfungsverfahren wird dann also vorzugsweise immer der neue gewählte Frequenzkanal benutzt.
Falls nach einem solchen Frequenzwechsel immer noch eine Störung auftritt, so kann ein weiterer Frequenzwechsel erfolgen. Vorteilhafterweise wird ein solcher Frequenzkanalwechsel maximal 5-7 mal durchgeführt.
Wenn nun trotz einer solchen vorbestimmten Anzahl an Frequenzkanalwechseln eine zuverlässige Übertragung nicht sichergestellt werden kann, wird das gesamte Frequenzspektrum nach einem neuen Frequenzbereich abgesucht, der möglichst unverrauscht ist und/oder von keinem anderen Kommunikationsmitteln genutzt wird. Während dieser Suche wird jedoch vorzugsweise die Kommunikation zwischen Hauptstation und Nebenstationen fortgesetzt.
Denkbar ist dabei beispielsweise, dass die Hauptstation eine Sende/Empfangseinheit (einen Transceiver) dazu verwendet, um das gesamte Frequenzspektrum nach einem neuen Frequenzbereich abzusuchen, während eine weitere Sende/Empfangseinheit die Kommunikation mit den Nebenstationen übernimmt. Falls also die Hauptstation lediglich zwei Sende/Empfangseinheiten aufweist, so kann beispielsweise eine Kommunikation mit den Nebenstationen über den aus dem Stand der Technik bekannten Quittungsbetrieb erfolgen. Wenn die Hauptstation nun einen neuen Frequenzbereich für den gestörten ermittelt hat, so gibt diese vorzugsweise in einer Nachricht an alle Nebenstationen einen Zeitpunkt und den Frequenzbereich bekannt, zu welchem gewechselt werden soll.
Für eine Identifikation einer Nebenstation oder der Hauptstation weist deren Routinesignal vorzugsweise am Anfang einen individuellen Erkennungsimpuls auf, welcher durch einen eindeutigen Amplituden- und/oder Frequenzverlauf gekennzeichnet sein kann.
Vorzugsweise folgt daraufhin ein Impuls, der der Korrektur der Resonanzkurve einer Antenne der Hauptstation oder einer Nebenstation dient.
Vorzugsweise erfolgt hierauf wiederum im Routinesignal der Hauptstation ein Impuls, der der Synchronisation der Nebenstationen dient. Die gerade zeitgleich sendende Nebenstation kann also beim Empfang dieses Synchronisationsimpulses die ihr zugeordnete Uhr an die der Hauptstation zugeordneten Uhr sowohl zeitlich, als auch frequenzmäßig anpassen.
In einem weiteren Aspekt behandelt die Erfindung ein Verfahren zur Funkübertragung von Meldedaten von Nebenstationen an eine Hauptstation. Zusätzlich zu den Meldedaten werden auch die Identifizierungsinformationen von den Nebenstationen und/oder den Meldern der Hauptstation übermittelt. Bei dem Verfahren erfolgt innerhalb einer Systemintegritätsprüfungsperiode eine Routineüberprüfung einer jeden Nebenstation zur Überprüfung der System integrität.
Für jede Nebenstation wird die Routineüberprüfung mittels eines Routinesignals innerhalb eines zugeordneten Routinesignalzeitschlitzes durchgeführt. Die Zeit vom Beginn eines Routinesignals zum nächsten Routinesignal entspricht dabei einer Routinesignalperiode. Der Routinesignalzeitschlitz ist dabei kürzer als die Routinesignalperiode. Erfindungsgemäß ist nun innerhalb der Routinesignalperiode ein Alarmzeitschlitz für eine jede Nebenstation und/oder ein Nachbarschaftshilfezeitschlitz für eine jede Nebenstation vorgesehen. In diesem ist die jeweilige Nebenstation, vorzugsweise allein diese, zum Senden eines Alarmsignals bzw. eines Nachbarschaftshilfesignals berechtigt.
Bei einer fehlgeschlagenen Überprüfung der Systemintegrität, d.h. bei nicht Funktionieren der Funkkommunikation zwischen der Hauptstation und einer bestimmten Nebenstation, kann nun diese entsprechende Nebenstation in dem ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfezeitschlitz ein Nachbarschaftshilfesignal senden. Eine zweite Nebenstation, die vorab für die entsprechende Nebenstation ausgewählt wurde, um Nachbarschaftshilfe zu leisten, ist vorzugsweise zu diesem Zeitpunkt aktiv, d. h. sie befindet sich im Empfangsmodus und wertet das Nachbarschaftshilfesignal der ersten Nebenstation aus. Die zweite Nebenstation kann daraufhin die enthaltene Information in dem ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfezeitschlitz an die Hauptstation weiterleiten.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Nachbarschaftshilfezeitschlitz der zweiten, weiterleitenden Nebenstation um den in Nachbarschaftshilfezeitschlitz in derselben Routinesignalperiode, in der auch die erste Nebenstation in dem ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfezeitschlitz gesendet hat, oder in der nächsten Routinesignalperiode.
Weiterhin hört vorzugsweise die zweite Nebenstation nicht nur während des Nachbarschaftshilfezeitschlitzes der ersten Nebenstation zu, d. h. sie ist währenddessen im Empfangsmodus, sondern auch während des Alarmzeitschlitzes der ersten Nebenstation. Somit ist es möglich, dass die zweite Nebenstation auch einen Alarm von der ersten Nebenstation an die Hauptstation weiterleitet.
Eine Übermittlung von Informationen von der Hauptstation zur ersten Nebenstation auf folgende Weise denkbar: Für die Hauptstation ist ebenfalls in der Routinesignalperiode ein Zeitschlitz vorgesehen, in dem sie Nachrichten an von ihr bestimmte Nebenstationen senden kann. Diese Nebenstationen können beispielsweise in Routinesignalen oder anderen Signalen darüber informiert werden, dass sie während des Zeitschlitzes der Hauptstation in den Empfangsmodus zu wechseln haben. Auch kann die Hauptstation an eine bestimmte, beispielsweise die zweite Nebenstation in dem an diese gerichteten Routinesignal Informationen mitsenden.
Die zweite Nebenstation erhält also so Informationen, die als Adressat die erste Nebenstation aufweisen. Die zweite Nebenstation kann also nun diese Informationen auswerten und/oder direkt an die erste Station im Nachbarschaftshilfezeitschlitz der zweiten Nebenstation weitersenden. Die erste Nebenstation ist vorzugsweise also immer im Empfangsmodus während des Nachbarschaftshilfezeitschlitzes der für sie bezüglich der Nachbarschaftshilfe aktuell zuständige Nebenstation.
In einem weiteren Aspekt behandelt die Erfindung ein Verfahren zur Installation der Gefahrenmeldeanlage. Durch das Verfahren kann die Installation vereinfacht werden und die dafür benötigte Zeit verkürzt werden.

Problemstellung:

In zahlreichen Anlagen werden die Melder zuerst an den jeweiligen Positionen/Plätzen in der Bauphase installiert. Wochen später, wenn die Bauphase vollständig beendet ist, kommt die Gefahrenmeldezentrale hinzu und wird im Keller oder in einem speziellen Abstellraum in Betrieb genommen.
Würden die Melder wochenlang ständig nach der Zentrale suchen, so wird ihr Energieverbrauch sehr hoch sein und ihre Batterien gingen rasch zur Neige. Würde man stattdessen die Melder erst nach der Bauphase montieren und an der Zentrale dann anmelden, so würde der Betrieb im Gebäude durch die Anwesenheit der Installateure teilweise gestört. Die meisten Kunden/Gebäudebetreiber sind gegen diese Störungen und wollen sie meiden. Nach einer Lösung wird gesucht.

Problemlösung:

Um das beschriebene Problem zu lösen, wird die gesamte Anmeldung aller Melder an den jeweiligen Gefahrenmeldezentralen in der Fertigung durchgeführt. Danach wird wieder alles ausgeschaltet. Nach dem Wieder - Einschalten der Nebenstationen und der jeweiligen Gefahrenmeldezentralen im Installationsfeld, d.h. in dem Gebäude (oder den Gebäuden), für das die Gefahrenmeldeanlage vorgesehen ist, finden und/oder erkennen sich die Gefahrenmeldezentrale und alle Melder wieder. Es beginnt also sofort der normale Betriebsmodus.
Damit dies auch gelingt, muss man folgendes neues Verfahren zur Installation einer Gefahrenmeldeanlage in dieser Schrittfolge oder einer anderen anwenden, wobei einzelne Schritte oder Teile dieser Schritte auch weggelassen werden können:

Das Installationsfeld, indem die Gefahrenmeldeanlage, aufweisend eine Zentrale, d.h. eine Gefahrenmeldezentralen und einen oder mehrere Melder, installiert wird, in vielen Fällen noch Baustellen, wird nach Störfrequenzen durchsucht. Daraus werden die idealen freien Frequenzkanäle ermittelt, in denen später die Gefahrenmeldezentrale samt Melder arbeiten soll. Dabei soll möglichst nicht nur der Basisfrequenzkanal frei und rauscharm sein, sondern alle dazugehörigen Alternativkanäle, typisch 7, alle Spiegelfrequenzen sollten frei und rauscharm sein. Zuletzt sollte die Intermodulation, die Summen und Produkte zweiter und dritter Ordnung, für den neuen Basiskanal darauf untersucht werden, ob von dort Störungsgefahr droht.
Mithilfe eines extra entwickelten Messgerätes sollte die Feldstärken und die Kommunikationsqualität an den vorgesehenen Melderpositionen ermittelt werden. Nur wenn die Feldstärke, inklusive Reserve, (typisch 50 dB) in einem vorgegeben Wertebereich liegt, sollte die Funkinstallation freigegeben werden. Mit unserem Funksystem gelingt dies auch in den aller meisten Fällen.
Die komplette Anmeldung der Melder an der zukünftigen Gefahrenmeldezentrale wird nun mit dem ausgewählten Basiskanal und vorzugsweise den dazugehörigen Alternativfrequenzkanälen in der Fertigung durchgeführt. Die Melder und die Zentrale befinden sich danach vorzugsweise in dem Betriebsmodus und/oder die Melder und die Zentrale erfüllen alle Voraussetzungen, um in den Betriebsmodus wechseln zu können.
Anschließend werden alle Melder in den so genannten Schlafmodus vorzugsweise per Funknachricht seitens der Gefahrenmeldezentrale versetzt. Die Zentrale selbst wird danach möglichst ausgeschaltet, bis sie in den nächsten Wochen an ihren endgültigen Einsatzort transportiert wird.
Die Melder können im Regelfall unmittelbar oder später nach der erfolgreichen Anmeldung bei der Zentrale und anschließenden Wechsel in den Schlafmodus, zum endgültigen Einsatzort gebracht werden, im Regelfall eine nahezu fertige Baustelle.
Im Schlafmodus wachen die Melder periodisch auf (typisch eine Stunde) für eine kurze, vorzugsweise programmierte Zeit (typisch 30 Sekunden) und suchen nach dem Aufwecksignal der Zentrale. Die Zentrale sendet ihren Ruf-/Aufwecksignal. Die Melder bleiben, wenn sie das Aufwecksignal der Zentrale gefunden haben, auf und die Funkkommunikation zwischen den Meldern und der Zentrale geht in den Betriebsmodus über. Andernfalls, wenn die Melder kein Aufwecksignal gefunden haben, gehen die Melder vorzugsweise nach der kurzen, vorzugsweise programmierten Zeit, typisch 30 Sekunden, wieder in den Schlafmodus zurück.
Damit die Aufwachphase möglichst schnell läuft, so bald der Weckruf der Gefahrenmeldezentrale eintrifft, sendet vorzugsweise jeder Melder, der den Weckruf schon mal gehört hat, den Weckruf weiter und zwar vorzugsweise genau in dem für diesen Melder eindeutigen und exklusiven bereits in der Anmeldung reservierten Zeitschlitz der Nachbarschaftshilfe. So kann der Weckruf alle Melder schneller erreichen, ohne dabei eine Kollision zu verursachen. Die Zentrale wiederholt vorzugsweise das Senden des Weckrufs so lange, bis der letzte Melder sich ordnungsgemäß wieder gemeldet hat und in den Betriebsmodus zurückkommt. Dank dieses Verfahrens dauert die Aufweckphase Sekunden.
Die komplette Anmeldung und Zeitschlitzreservierung für jeden Melder wurde möglichst bereits in der Fertigung durchgeführt. Wenn die Melder auf dem Feld aufwachen, dann tun sie dies vorzugsweise nicht willkürlich und ungeordnet, sondern zu vorher bestimmten und fest reservierten Zeitpunkten.
Der Weckruf der Zentrale sollte nicht mit einem anderen Störhochfrequenzsignal verwechselt werden. Das Weckrufsignal ist vorzugsweise sowohl im Amplituden- als auch im Frequenzverlauf eindeutig. Zudem läuft der Weckruf vorzugsweise gemäß dem Voll-Duplex-Verfahren auf zwei Frequenzbändern, typisch auf 433 und 868 MHz.

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Gefahrenmeldesystem, aufweisend mindestens eine Hauptstation und mindestens eine Nebenstation mit einem Zustands-Melder, wobei die Hauptstation und die Nebenstation zur Funkkommunikation ausgebildet sind. Dabei sind die Nebenstation und die Hauptstation voll-duplexfähig. Das bedeutet, dass beide gleichzeitig senden und empfangen können.
Hierfür weisen sie vorzugsweise zwei halb-duplex-fähige Transceiver auf, welche also entweder senden oder empfangen können. Die Transceiver können also umschalten zwischen Senden und Empfangen.
Das Gefahrenmeldesystem ist vorzugsweise zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt.
Das Gefahrenmeldesystem kann Teil einer übergeordneten, zentralen Gefahrenmeldeanlage sein. Letztere kann eine übergeordnete Zentrale, wie beispielsweise eine Randmeldezentrale, aufweisen und mindestens ein Gefahrenmeldesystem. Für eine Kommunikation zwischen dem Gefahrenmeldesystem und der übergeordneten Zentrale wird vorzugsweise ein Festleiter, wie beispielsweise eine serielle Schnittstelle, verwendet.
Weiterhin werden für die Erfindung folgende Begriffe definiert:

Routinesignal: periodisch wiederkehrendes Signal von der Hauptstation an eine bestimmte Nebenstation (Hauptstations-Routinesignal) oder von einer bestimmten Nebenstation an die Hauptstation (Nebenstations-Routinesignal) zur routinemäßigen Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Kommunikation zwischen Haupt- und Nebenstation.
Routinesignalperiode: Periode, in der die Funktionsfähigkeit einer Nebenstation durch ein Routinesignal überprüft wird. Die Routinesignalperiode weist dem Routinesignal für jede Nebenstation sowohl einen Alarmzeitschlitz, als auch einen Nachbarschaftshilfezeitschlitz auf. Die Routinesignalperiode entspricht also dem Zeitzyklus der Hauptstation, typischerweise eine Sekunde.
Systemintegritätsprüfungsperiode: Gesamtperiode zur Überprüfung des gesamten Systems, in der die Funktionsfähigkeit aller Nebenstationen einmal durch jeweils ein Routinesignal überprüft wird. Bei n Nebenstationen entspricht die Systemintegritätsprüfungsperiode also dem n-fachen der Routinesignalperiode. Die Systemintegritätsprüfungsperiode entspricht also dem Zeitzyklus einer Nebenstation im Normalmodus, typischerweise 32 Sekunden bei 32 Nebenstationen.
Nachbarschaftshilfesignal: Signal, das von einer ersten Nebenstation, die keine Kommunikation mit der Hauptstation herstellen kann, an eine zweite, vorbestimmte Nebenstation gerichtet ist. Das Aussenden des Nachbarschaftshilfesignals erfolgt in dem der ersten Nebenstation zugeordneten Nachbarschaftshilfezeitschlitz.
Servicefrequenzkanal: Frequenzkanal, der in der Hauptstation so wie in den Nebenstationen vor Inbetriebnahme voreingestellt ist. Auf dem Servicefrequenzkanal erfolgt die für ein Anmeldeverfahren der Nebenstationen an einer Hauptstation notwendige Kommunikation.

c) Ausführungsbeispiele

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen sowie der detaillierten Erläuterung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig.1a: eine prinzipielle Anordnung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig.1b: eine prinzipielle Anordnung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig.2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kommunikationsprinzips zwischen der Hauptstation und einer Nebenstation,
Fig.3: eine schematische Darstellung des Anfangs eines Routinesignals,
Fig.4: den zeitlichen Ablauf der Systemintegritätsprüfungsperiode
Fig.5: den zeitlichen Ablauf einer Routinesignalperiode

Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem, das insbesondere eine Brand- oder Gefahrenmeldeanlage sein kann, weist wie in Fig.1 a oder Fig.1b dargestellt mindestens eine Hauptstation (Master) M1 auf. Diese ist an eine übergeordnete Zentrale BMZ der Gefahrenmeldeanlage, beispielsweise eine Brandmeldezentrale angeschlossen. An die Hauptstation M1 ist wiederum mindestens eine Nebenstation (Slave) S1-Sn angeschlossen.
Dabei ist denkbar, dass es sich bei dem Kommunikationssystem um ein Hybridsystem handelt, bei dem ein Teil 1,2,3 (Fig.1 b) der Zustandsmelder bzw. Nebenstationen drahtgebunden ist und ein Teil S1, S3 drahtlos, d.h. dass es Funkmelder sind. Zwischen den drahtgebundenen Zustandsmeldern und der Hauptstation kann dann ebenfalls das erfindungsgemäße Kommunikationsverfahren angewandt werden oder ein separates. Die Gesamtvorrichtung bildet also eine zentrale Gefahrenmeldeanlage und eine Vorrichtung bestehend aus einer Hauptstation M1 und den daran angeschlossenen Nebenstationen S1 - Sn ein Gefahrenmeldesystem.
Zwischen Haupt- und Nebenstation wird periodisch eine Integritätsprüfung durchgeführt, für die ein so genanntes erstes und zweites Routinesignal zwischen Haupt- und Nebenstation in einem periodischen Abstand, beispielsweise alle 32 Sekunde, ausgetauscht werden. Die Nebenstation weist einen Sensor auf oder ist mit einem solchen verbunden, dessen Messungen über eine Funkschnittstelle an die Hauptstation geleitet werden. Diese wertet die Funksignale der Nebenstation aus und sendet diese über eine weitere Schnittstelle (Funk und/oder Festleiter) an die übergeordnete Zentrale, wenn notwendig, beispielsweise bei einer kritischen Messung eines Sensors.
Wie in Fig.2 veranschaulicht, weisen sowohl Hauptstation M1 als auch Nebenstationen S1 jeweils mindestens zwei Empfangseinrichtungen RX1M, RX2M und RX1S, RX2S bzw. mindestens zwei Sendeeinrichtungen TX1M, TX2M und TX1S, TX2S auf. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um zwei halb-duplex- oder voll-duplexfähige Transceiver pro Haupt- oder Nebenstation. Die beiden Transceiver weisen vorzugsweise eine Isolierung zwischen einander von mindestens 40dB auf. Die mehrfachen Empfangseinrichtungen bzw. Sendeeinrichtungen sowohl bei der Hauptstation (Master) als auch bei der Nebenstation (Slave/Melder) nutzen dabei vorzugsweise dieselben Antennen, d.h. es wird eine s. g. "Antennen-Diversity - Verfahren" (Antennen-Diversität) angewandt. Außerdem nutzen sie vorzugsweise dieselben Antennen-Anbindungen und Schnittstellen und denselben Mikrokontroller. Die mehrfachen Empfangs- bzw. Sendeeinrichtungen können verschiedene Einstellungen und Protokolle haben: Datenrate, ZF-Bandbreiten, Basisbandfilter und verschiedene Modulationsarten.
Die Nebenstation (Slave) sendet der Hauptstation (Master) in zyklischen Zeitabschnitten, typischerweise alle 32 Sekunden, eine Nachricht und meldet den aktuellen Status. Dies wird als Integritätsprüfung oder Routineüberprüfung bezeichnet, wobei die Nachricht mittels des so genannten ersten Routinesignals, in diesem Fall des Nebenstations-Routinesignals and die Hauptstation gesandt wird. Wie in Fig.2 veranschaulicht wird parallel dazu zum gleichen Zeitpunkt, aber auf einer anderen Frequenz, von der Hauptstation eine Nachricht an die Nebenstation gesendet, wobei die Nachricht mittels es so genannten Routinesignals, in diesem Fall des Hauptstations-Routinesignals and die Nebenstation gesandt wird. Der Nebenstation wird so mitgeteilt, dass seitens der Hauptstation alles in Ordnung ist und keine weiteren Nachrichten mehr erfolgen. Obwohl der Nachrichtenaustausch gleichzeitig abläuft, stellt die Hauptstation parallel fest, ob auf der anderen Frequenz die Nachricht von der Nebenstation gerade eintrifft oder nicht.
Die Hauptstation kann zwar zu diesem Zeitpunkt die Nachricht von der Nebenstation noch nicht interpretieren, sie kann aber zumindest das Eintreffen bestätigen oder auch nicht. Dies kann sie im letzten Bit der aktuellen Nachricht an die Nebenstation mitteilen. Das gleiche gilt genauso umgekehrt für die Nebenstation. Beide Stationen sind zur Zeit des Austauschs der Routinesignale im Empfangsmodus.
Eine weitere Kommunikation zwischen beiden Kommunikationspartnern findet im Anschluss an die Integrationsprüfung nur dann statt, wenn Fehler beim Empfang der Nachrichten aufgetreten sind. Beide Kommunikationspartner sind jetzt im Empfangsmodus. Falls bei einem der Kommunikationspartner Störungen auftreten, ist der zweite in Empfangsbereitschaft und kann so entsprechend reagieren. Im schlimmsten Fall können Störungen auf beiden Kommunikationswegen (d.h. Hauptstation → Nebenstation und Nebenstation → Hauptstation) auftreten. Im Fall einer Störung weichen die Kommunikationspartner auf einen Nachbarkanal innerhalb des gestörten Frequenzbandes aus. Dieser Frequenzsprung erfolgt typischerweise fünfbis siebenmal. Das Ausweichen erfolgt sowohl bei einer Störung in einem Frequenzband (z.B. 434 MHz oder 868 MHz), als auch wenn eine Störung in beiden Frequenzbändern vorliegt.
Kommt in diesem Fall eine Kommunikation in einem der Frequenzbänder (z.B. 868MHz) nicht zustande, dann wird innerhalb dieses Bandes auf einen Nachbarkanal gesprungen (typischerweise fünf- bis siebenmal). Wenn eine Kommunikation in beiden Frequenzbändern nicht erfolgen kann, wird entsprechend in beiden Bändern auf einen Nachbarkanal gesprungen (typischerweise fünf- bis siebenmal).
Ein Sprung auf einen Nachbarkanal innerhalb des Frequenzbandes ist streng genommen unnötig, denn beide Kommunikationspartner können prinzipiell auch in einem Frequenzband miteinander kommunizieren. Der Vorteil liegt hierbei in der Ermittlung eines freien Alternativkanals im selben Frequenzband, der bei der nächsten Integritätsprüfung verwendet werden kann. Durch diese intelligente Frequenznutzung ist die Wahrscheinlichkeit äußert gering, dass alle Haupt- und Nebenkanäle (d.h. beide Frequenzbänder 434 Mhz und 868 MHz) gestört sind. Eine solche Störung ist auch in einem Sabotagefall nicht einfach herzustellen.
Nachfolgend wird Anhand eines erfindungsgemäßen Beispiels die Funktionsweise des neuen Verfahrens beschrieben:

Die Hauptstation, im Folgenden Master genannt, besitzt in diesem erfindungsgemäßen Beispiel zwei Transceiver und arbeitet im Voll-DUPLEX Mode gleichzeitig auf zwei Frequenzkanälen in verschiedenen Bändern: 433.92 MHz und 868.3 MHz. Die Nebenstationen, im Folgenden Slaves genannt, besitzen in diesem Beispiel zwei Transceiver und arbeiten im Voll-DUPLEX Mode gleichzeitig auf zwei Frequenzkanälen in verschiedenen Bändern: 433.92 MHz und 868.3 MHz.

Normaler Funktionsablauf (Integritätsprüfung ohne Störung):

Slave n beginnt von seiner Seite aus die Integrationsprüfung, in dem er in dem für ihn bestimmten Zeitzyklus n die Nachricht an den Master sendet, dass er voll funktionsfähig ist und keine besonderen Vorkommnisse bestehen. Der Slave sendet dabei mit Transceiver #1 auf der Frequenz 868.3 MHz.
Zeitgleich arbeitet Transceiver #2 des Slave bei 433 MHz und wartet auf die Nachricht der Integrationsprüfung des Masters, in der dieser mitteilt, dass von seiner Seite alles in Ordnung ist und bei ihm gerade die Nachricht vom Slave bei 868 MHz eintrifft. Sollte die Nachricht des Slave zur Integrationsprüfung vom Master nicht verstanden worden sein, wird dieser sich noch mal beim Slave melden. Dafür befindet sich Transceiver #1 des Slave (868 MHz Band) für den Fall einer Störung jetzt im Empfangsmodus.
Der Transceiver #2 des Slave (433 MHz Band) ist nur im Störungsfall aktiv und sendet dem Master die Nachricht, dass er seine Nachricht nicht oder nur teilweise gehört hat. Ist die erste Nachricht vom Master auf 433 MHz verständlich und kommt keine Nachricht vom Master auf 868 MHz zurück.
Die Integritätsprüfung war erfolgreich und der Slave geht in den Low Power Mode. Der Master bereitet sich für den Zeitzyklus n+1 für den Slave n+1.

Gestörter Funktionsablauf während der Integrationsprüfung

1) Störung auf 868 MHz

Der Master schickt seine Nachricht auf 433 MHz. Diese wird vom Slave empfangen und verstanden.
Die parallele, d.h. korrespondierende Nachricht vom Slave zum Master auf 868 MHz kommt nicht an bzw. wird vom Master nicht verstanden. Der Master erfährt diese Kommunikationsstörung durch Nicht-Empfangen des Anfangs der erwarteten Nachricht. Der Slave wiederum kann die Kommunikationsstörung daraus erfahren, dass er in der parallelen Nachricht des Masters am Ende keine Bestätigung erhält.
Beide Kommunikationspartner (Master und Slave) reagieren auf eine solche Störung mit einem zeitgleichen Kanalwechsel auf einen anderen Frequenzkanal (innerhalb des 868 MHz Bandes) und versuchen wieder zu kommunizieren. Diese Prozedur wiederholen beide Partner maximal 7 Mal. Sollte es immer noch nicht zu Kommunikation kommen, so versuchen sie auf über das 433 MHz Band die "Ursachen" zu finden.
Beispielsweise kann überprüft werden, ob der Pegel zu schwach ist, und/oder ob es sich hier um einen Breitband-Störer handelt Alle diese Informationen sind für den Master wichtig, denn die Wahrscheinlichkeit, dass es bei den anderen Meldern das gleiche passiert ist hoch. So kann sich der Master auf diese Störung einstellen.
Vorteilhafterweise kann bei einem erfolgreichen Wechsel auf einen Nachbarkanal die Hauptstation mittels eines Broadcast-Signals, das ein Signal ist, das an alle Nebenstationen gerichtet ist, den Nebenstationen den Wechsel mitteilen. Das Broadcast-Signal wird außerhalb des Routinezeitschlitzes ausgesendet. Somit wird also in dem Frequenzbereich der benützte Kanal langfristig für alle Nebenstationen gewechselt.
Solange die Kommunikation mindestens über das 433 MHz Band funktioniert, merkt die übergeordnete Zentrale der Gefahrenmeldeanlage, beispielsweise eine BMZ (Brandmeldezentrale) von all diesen Maßnahmen nichts.

2) Störung auf 433 MHz

Der Slave schickt seine Nachricht auf 868 MHz. Diese wird vom Master empfangen und verstanden.
Die parallel vom Master zum Slave auf 434 MHz gesendete Nachricht kommt aber aufgrund einer Störung nicht an bzw. wird vom Slave nicht verstanden. Beide Kommunikationspartner (Master und Slave) reagieren auf eine solche Störung mit einem zeitgleichen Kanalwechsel auf einen anderen Frequenzkanal (innerhalb des 434 MHz Bandes) und versuchen wieder zu kommunizieren. Diese Prozedur wiederholen beide Partner maximal 7 Mal. Sollte es immer noch nicht zu Kommunikation kommen, so versuchen sie auf über das 868 MHz Band die "Ursachen" zu finden (siehe Oben).
Solange die Kommunikation mindestens über die 868 MHz Band funktioniert, merkt die übergeordnete Zentrale der Gefahrenmeldeanlage von all diesen Maßnahmen nichts.

3) Störung auf 868 MHz und 434 MHz

Kritisch wird es dann, wenn die Kommunikation sowohl im 868 MHz Band, als auch im 433 MHz Band ausfällt. Obwohl in beiden Bändern je siebenmal auf sieben verschiedene Frequenzkanäle gesprungen wurde, kommt es ausnahmsweise nicht zu einer erfolgreichen Kommunikation. Das Kommunikationssystem weist jedoch eine Voreinstellung auf, auf Grund derer beide Kommunikationspartner im Voraus verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung des sinkenden HF-Pegels in diesem Fall durchführen werden.
Nun wird jedoch angenommen, dass diese Maßnahmen die Störung nicht vermeiden können. Erfahrungsgemäß ist es äußerst unwahrscheinlich, dass beide Bänder vollkommen gestört sind. Es ist eher wahrscheinlich, dass entweder die Haupt- oder die Nebenstation ausgeschaltet ist oder der HF-Pegel plötzlich massiv eingebrochen ist. In diesem Fall schickt in einem genau definierten Zeitraster der Master, später auch der Slave an allen anderen noch funktionsfähigen Slaves eine Notfall-Nachricht:

Es gibt zwei Arten von Notfallnachrichten:
1. 1) Eine MASTERSLAVE Notfallnachricht wird vom Master initiiert. Der Master bittet alle anwesenden funktionsfähigen Slaves eine "SOS" Nachricht zum ausgefallenen Slave zu senden. Dieser soll sich über einen beliebigen weiteren Slave melden, den er hört. Die MASTERSLAVE Nachrichten werden immer auf 433 MHz gesendet. Alle funktionsfähigen Slaves fungieren praktisch wie ein "Lautsprecher". Daraufhin kann der "verlorene" Melder sich direkt melden oder im reservierten Zeitschlitz seine Meldungen absetzen.
2. 2) Eine SLAVEMASTER Notfallnachricht wird vom ausgefallenen SLAVE initiiert. Der ausgefallene Slave bittet alle anwesenden funktionsfähigen Slaves eine "SOS" Nachricht zum Master zu senden. Dieser soll sich über einen beliebigen Broker melden. Bisher war die Kommunikation zwischen Slave und Master höchstens über vier Nachbarn möglich. Im Notfall gibt es hierfür keine Einschränkungen mehr. Die SLAVEMASTER Nachrichten werden immer auf 868 MHz gesendet.

Durch diese Maßnahmen ist die Reichweite des Systems um ein Mehrfaches erweitert. Ein Ausfall wegen zu geringer Reichweite daher unwahrscheinlicher.
Das Absetzen der vielen Notfallnachrichten MASTER-SLAVE oder SLAVEMASTER kann nicht zu Kollision führen. Jeder Slave hat ein genau definiertes Zeitfenster innerhalb der typischen Periode von 32 Sekunden, in dem nur dieser Slave seine MASTERSLAVE oder SLAVEMASTER Nachricht absetzen darf.
Erst wenn diese "SOS" Nachrichten nicht helfen, eine Kommunikation zwischen der Hauptstation (Master) und den Nebenstationen (Slaves) aufrecht zu erhalten, wird eine Störung bzw. die fehlende Kommunikation der übergeordneten Zentrale gemeldet.
Weitere Eigenschaften und Merkmale dieses solche Notfallnachrichten verwendenden Verfahrens werden im Folgenden unter "Nachbarschaftshilfeverfahren" ausführlich erläutert.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Synchronisationsproblem

Bei dem aus dem EP 0911775 bekannten Gefahrenmeldesystem findet die Funkkommunikation zwischen Neben- und Hauptstation für die Integritätsprüfung typischerweise alle 32 Sekunden statt. Es handelt sich hierbei um ein streng synchrones System. Beide Kommunikationspartner arbeiten dabei zeitlich synchronisiert und es kann häufig zu einer Fehlkommunikation kommen, wenn die Nebenstation den exakten Zeitpunkt für eine Kommunikation verpasst. Trotz Kalibrierung in der Fertigung kann dies aus den verschiedensten Gründen passieren.
Idealerweise erfolgt die Synchronisierung parallel zur eigentlichen Funkkommunikation gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens. Während der eigentlichen Funkkommunikation erfolgt die Synchronisation. Die Zeituhr der Nebenstation wird auf die Zeituhr der Hauptstation eingestellt.
Fig. 3 zeigt die neue Art der Synchronisation und der gleichzeitigen Integritätsprüfung. Die Hauptstation sendet einen s. g. "Preburst" von mindestens 15 bit und maximal 95 bit. Dieser Preburst dient zur Synchronisation der Uhr der Nebenstation auf die Uhr der Hauptstation (Systemuhr). Der Preburst ist praktisch wie ein Trigger: Sobald die Nebenstation diesen Preburst empfängt, stellt sie jedes Mal, also typisch alle 32 Sekunden, die eigene Uhr ein. Sobald die Uhr eingesellt ist, weiß die Nebenstation, ob ihre Sendedaten zu früh oder zu spät erfolgen und korrigiert dies sofort. Auf den "Preburst" erfolgt ein Startbit. Der Slave sendet solange einen unmodulierten Träger und wartet auf den Preburst und das Startbit vom Master.
Darauf hin überträgt der Master ein Synchronisationsmuster von beispielsweise 3 Byte. Gleichzeitig überträgt der Slave ein Synchronisationsmuster von beispielsweise 3 Byte. Nun sind Master und Slave synchron. Daraufhin kann nun der Datentausch zwischen Master und Slave, beispielsweise durch Senden der Routinesignale erfolgen.
Anhand eines Beispiels wird das neue Synchronisationsverfahren noch einmal beschrieben:

Die Nebenstation fängt an, zum berechneten Zeitpunkt, alle 32 Sekunden, ihre ersten Daten: WUP, Präambel,... auf 868 MHz zu senden. Parallel und zum gleichen Zeitpunkt empfängt die Nebenstation, im Hintergrund, im VOLLDUPLLEX Mode bei 433 MHz die ersten Bits vom Signal der Hauptstation. In diesem Signal der Hauptstation ist ein Triggersignal / Preburst enthalten: das die Startzeit der Hauptstation, also den Startzeitpunkt 0, signalisiert. Nun vergleicht die Nebenstation ihren Startzeit mit der Startzeit der Hauptstation und korrigiert ihre Daten dementsprechend. Ist die Nebenstation zu früh dran, dann nimmt sie einen Bit oder einen Teil eines Bits dazu um wieder synchron sein. Ist die Nebenstation zu spät dran, dann nimmt sie einen Bit oder einen Teil eines Bits weg um auch wieder synchron sein. Die Zeit oder die Bits oder Teil eines Bits, die die Nebenstation weg oder dazu nimmt, sind keine Datenbits, die eine wichtige Information enthalten, sondern Reserve Bits / Synchronisationsbits, die nur diesen Synchronisationszweck dienen.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Verhinderung der Verletzung der Duty-Cycle Anforderung der Norm EN 330220 V2.3.1 bei 868 MHz:

Das aus EP 0 911 775 beschriebenes System kann den größten Teil der neuen Duty-Cycle Anforderungen des Frequenzbandes 863-870 MHz nicht erfüllen. Bis auf ein paar Ausnahmen fordert die neuste ETSI Norm EN300220 V2.3.1 vom Februar 2010, einen Duty Cycle von überwiegend 0,1%. In Ausnahmefällen sind 1%, 10% und 100% erlaubt.
Die in Fig. 2 gezeigte Darstellung beschreibt eine Kommunikation zwischen Hauptstation (Master) und Nebenstation (Slave). Die Hauptstation, bei der die höhere Anzahl an zu sendenden Nachrichten vorkommt, im Worst Case jede Sekunde, sendet hierbei in einem anderen Frequenzband (z. B 434 MHz) in dem ein Duty Cycle von 100% bzw. 10% ist. Ebenso kann die Hauptstation auch in Subbänder des 868 MHz Bandes senden, in denen 1%, 10% und 100% Duty Cycle gilt. Die Nebenstation kann auf einer beliebigen Frequenz 868 MHz Band senden, in dem ein Duty Cycle von nur 0,1% erlaubt ist.
So hält nicht nur der Sensor (Nebenstation) die Duty Cycle Anforderungen der Norm EN300220 ein, sondern auch der Zentrale (Master/Hauptstation).

Weiterer Aspekt der Erfindung: Kollisionsgefahr bei mehreren Alarmen:

Eine Hauptstation/Master versorgt typischerweise 32 Nebenstationen/Slaves. Im Falle eines Flächenbrandes oder eines Einbruchs löst selten nur ein einziger Melder einen Alarm aus. Meistens werden in diesem Fall viele Alarme von mehreren Melder ausgelöst. Auch von einem einzigen Melder können mehrere Alarmstufen ausgelöst werden. In diesem kritischen Fall, wofür eigentlich die ganze Anlage installiert wurde, können die wichtigen Alarmnachrichten mit den üblichen Nachrichten der Integritätsprüfung kollidieren. Für diesen Fall, sollte eigentlich der Frequenzkanal frei für Alarmnachrichten sein. Der Verzicht oder das Ausschalten der Nachrichten zur Integritätsprüfung ist auch im Alarmfall gesetzwidrig.
Die Nebenstation (Slave/Melder) meldet gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens sofort den Alarm an die Hauptstation (Master/Zentrale) auf der Frequenz 868 MHz. Ab nun ändert das Kommunikationssystem seinen Ablauf: Statt wie bisher im Normalbetrieb Voll-Duplex auf zwei Frequenzen zu arbeiten schaltet das Kommunikationssystem in den Alarmmodus um. Hierzu informiert die Hauptstation alle Nebenstationen nach und nach über den neuen Modus, d.h. den Alarm Modus. In diesem Modus wird ein Frequenzband (433 MHz) nur für die Integritätsprüfung verwendet. Das zweite Frequenzband (868 MHz) ist nur für die Alarmkommunikation reserviert.
Da Alarmsignale der Nebenstationen unmittelbar und asynchron auftreffen können, muss nach der ersten Alarmmeldung sofort begonnen werden, dieses Frequenzband frei zu halten und nur für Alarmsignale zu reservieren. Eine Rückkehr zum Voll-DUPLEX Modus geschieht erst, wenn nach einer Mindestperiode keine Alarmsignale mehr auftreten. Die Hauptstation leitet den Übergang vom Normalbetrieb (Voll-Duplex) in den Alarmmodus ein und umgekehrt. Hierzu informiert die Hauptstation die Nebenstationen rechtzeitig.
Dieses neue VOLLDUPLEX Verfahren in der Gefahrenmeldetechnik ist erst jetzt technisch möglich geworden und anwendbar, nachdem man endlich die vielen technischen Probleme des Überlagerns des gleichzeitigen Sendens und Empfangens auf mehreren unterschiedlichen Frequenzsignale auf einen sehr engen Raum auf einer Multi Transceiver Platine gelöst hat. Früher waren diese Verfahren in der Gefahrenmeldetechnik gar nicht denkbar.
Die Angaben über die Frequenzbänder 868 und 433 MHz sind hier nur typisch und als Beispiel gemeint. Es könnten ohne weiteres andere Bänder genutzt werden oder sogar Subbänder eines einzigen Bandes sein. Beispielsweise: 863 MHz und 869 MHz.
Darüber hinaus ist die Erfindung in keiner Weise auf eine Gefahrenmeldanlage beschränkt. Es ist offensichtlich, dass die vorteilhafte erfindungsgemäße Kommunikation in allen Bereichen der Funk-Kommunikation erfolgen kann, beispielsweise in der Satellitenkommunikation, in der Verkehrsüberwachung, Verkehrsleittechnik, oder auch in jeder Form der Sensorüberwachung, bei der mit Hilfe von mindestens einem Sensor eine Vorrichtung überwacht wird, wobei die Messungen des Sensors einer Zentrale zur Weiterverarbeitung übermittelt werden. Letztere Ausführungsform ist beispielsweise in Flugzeugen oder Industrie/Fertigungsanlagen denkbar.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Alarmmeldeverfahren

Problembeschreibung:

Verschiedene Normen der Brand- und Einbruchmeldetechnik fordern streng eine maximale Übertragungszeit des Alarms. Die maximale Übertragungszeit der Alarmnachricht darf in keinem Fall überschritten werden.
In der Norm EN54-25 ist als Alarmzeit, also der Zeit, zwischen Registrierung eines Alarms durch einen Sensor und dem Anzeigen der Alarm-Nachricht durch die übergeordnete Zentrale (z.B. Brandmeldezentrale), eine Zeit von 10 Sekunden festgelegt. Allein für die Verarbeitung und die Verifikation der Nachricht durch die übergeordnete wird eine Zeitdauer von 6 -8 Sekunden beansprucht. Das bedeutet, dass für eine Nachrichtenübertragung von Nebenstation zur Hauptstation höchstens 2 Sekunden zur Verfügung stehen.
Weiter beschreibt EN54-25 einen Test, wie gleichzeitig 10 Alarme ausgelöst werden können und somit eine mögliche Kollision provoziert wird. Bei diesem Test wird streng überwacht, ob die in der Norm festgelegten 10 Sekunden Alarmierungszeit zur Anzeige des Alarms bei der übergeordneten Zentrale eingehalten wird.
Um diese Zeit einzuhalten, darf unter keinen Umständen die Übertragung der Alarmnachricht von der Nebenstation zur Hauptstation länger als 2 Sekunden dauern. Dies gilt im Besonderen für den Fall von Mehrfachalarmierungen (also dem gleichzeitigen Auftreten von Alarmen bei mehreren Sensoren/Nebenstationen).
Wenn in einem solchen Fall von mehreren Nebenstationen spontan und ohne Regelung Nachrichten abgesetzt werden, kommt es zu einer Kollision und die 10 Sekunden Grenze kann nicht eingehalten werden. Dies ist dadurch begründet, dass das Auflösen einer Kollision und das anschließende geordnete Senden der Nachrichten weit mehr als 10 Sekunden dauert.
Augenscheinlich ist die geordnete Übertragung einer einzelnen Alarmnachricht der Normalfall und das Auftreten von mehreren gleichzeitigen Alarmmeldungen, die zu einer Kollision führen die Ausnahme.
Das ist falsch und es gilt vielmehr der umgekehrte Fall: Bei einem Großbrand kann es sehr leicht vorkommen, dass mehrere Sensoren gleichzeitig den Brand detektieren und in der Folge zur gleichen Zeit ihre Alarmnachricht abschicken. Eine Kollision der Alarmnachrichten aller 32 Nebenstationen ist also sehr realistisches Szenario.
Gerade bei einem solchen Härtefall, der eher als Normalfall angesehen werden muss, zeigt sich die Robustheit eines Funk-Meldesystems.
Im Alarmfall sendet die Nebenstation, des im EP 0 911 775 beschriebenen Systems, sofort und unmittelbar eine Funknachricht an die Hauptstation. Dabei kann diese Funknachricht mit anderen Alarmmeldungen oder Meldungen der normalen Kommunikation anderer Nebenstationen kollidieren. Auch die anderen Nebenstationen/Melder, die sich im Alarmzustand befinden, müssen sofort und unmittelbar senden, ohne jegliche Rücksicht auf andere Funknachrichten.
Bis die Kollision aufgelöst wird, vergeht kostbare Zeit.

Problemlösung:

Die beste Kollisionsauflösungsmethode ist die Kollision zu vermeiden: Die Kollision wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass jede Nebenstation im Alarmfall nicht sofort und unmittelbar meldet, sondern in einem für jede Nebenstation reservierten bestimmten Zeitintervall. Dieses Zeitintervall kann typischerweise 10 ms lang sein und kommt vorzugsweise in jedem Zeitzyklus (typischerweise jede Sekunde) der Hauptstation vor.
Fig. 4 zeigt einen Überblick über den periodischen Verlauf der erfindungsgemäßen Systemintegritätsprüfung aller Nebenstationen.
Ein Zeitzyklus einer Nebenstation Sn beträgt typischerweise 32 Sekunden. Dieser entspricht einer so genannten Systemintegritätsprüfungsperiode Tges, in der die Systemintegrität aller Nebenstationen einmal überprüft wird. Im Normalmodus, also wenn keine Alarmmeldung vorhanden, meldet sich die Nebenstation alle 32 Sekunden bei der Hauptstation.
Ein Zeitzyklus der Hauptstation beträgt typischerweise eine Sekunde. Diese entspricht einer so genannten Routinesignalperiode Tr, in der die Hauptstation eine Nebenstation mittels eines Routinesignals überprüft. In jedem Zeitzyklus n kommuniziert die Hauptstation (Master M) mit dem Melder n (Slave n) zum Zwecke der Integritätsprüfung, was über den Austausch von einer oder mehreren Routinenachrichten erfolgt. Eine Hauptstation hat typischerweise 32 Nebenstationen/Melder. Somit weist die Systemintegritätsprüfungsperiode vorzugsweise 32 Routinesignalperioden auf.
Wie in Fig.5 gezeigt, lässt sich der erfindungsgemäße Zeitzyklus (also die Routinesignalperiode, bzw. jede Sekunde) der Hauptstation in folgende Abschnitte Z1 - Z6 unterteilen:

Z1) Integritätsprüfung: Dauer maximal 20 ms
Z2) Kanalwechsel: Dauer 140 ms (bei 7-maligen Kanalwechsel)
Z3) Weitere Funknachrichten/Funkaufgaben: maximal 100 ms.
Im Störungsfall, wenn also eine oder mehrere Nebenstationen ausgefallen sind, sendet hier die Hauptstation M und bestätigt, ob sie den Zustand der ausgefallenen Nebenstation über die Nachbarn gehört hat oder nicht. Gleichzeitig kann die Hauptstation im Störungsfall Befehle zur "verschollenen" Nebenstation senden, wie z.B. LED einschalten. Die zuständigen Nachbarn der verschollenen Nebenstation hören diesen Befehl mit und leiten es in deren reservierten Nachbarschaftszeitschlitz später weiter. In diesem Zeitfenster (maximal 100 ms) erteilt die Hauptstation M im Störungsfall auch den Befehl, welcher Nachbarstation helfen soll. All diese Aktivitäten geschehen nur im Störungsfall. Im Normalfall, wenn gar keine Störungen vorhanden sind, sind in diesem Zeitintervall keine Aktivitäten vorhanden.
Z4) + Z5) Alarmintervalle Z4 und Nachbarschaftshilfsintervalle Z5: 32 (Nebenstationen) x [ 10 ms (Alarmintervall) + 10 ms (Nachbarschaftsintervall) ] = 640 ms.
Z6) Kommunikation der Hauptstation mit der Übergeordneten Brandmelde- bzw. Einbruchmeldezentrale über die serielle Schnittstelle 100 ms.

Die Nebenstation/Melder Sn kann und darf sich nur innerhalb des Alarmintervalls Z4Sn melden. Allerdings darf sie auch nur dann im Alarmintervall Z4Sn senden, wenn auch wirklich ein Alarm zu melden ist. Die Hauptstation erwartet im Alarmintervall Z4Sn nur eine Alarmnachricht von der Nebenstation Sn. Das bedeutet, dass vorzugsweise in dem Alarmintervall n einzig die Nebenstation n senden darf. Die Nebenstation n darf nur in dem Alarmintervall Z4Sn (Alarmzeitschlitz n) einen Alarm melden. Einzige Ausnahme für letzteres kann sein, dass die Nebenstation innerhalb ihres Routinesignals eine Mitteilung macht (beispielsweise über Setzten eines vorbestimmten Bits), ob ein Alarmfall vorliegt oder nicht. Die genauen Informationen über den Alarm erfolgen dann jedoch erst im Alarmintervall Z4Sn.
Haben beispielsweise 10 oder sogar alle 32 Nebenstationen Alarmnachrichten zu melden, so besitzt jede Nebenstation ihr zugewiesenes Alarmintervall, in dem sie senden darf, ohne Gefahr zu laufen in einer Kollision zu geraten oder selbst diese zu verursachen. Alle Alarmmeldungen der verschiedenen Melder kommen spätestens innerhalb einer Sekunde nacheinander bei der Hauptstation an.
Im Alarmmodus bleiben die Nebenstationen/Melder aktiv und schicken bereits in der nächsten Sekunde in ihren zugewiesenen Alarmintervallen wieder die Alarmmeldungen als Bestätigung der letzten Alarmmeldungen. Sobald der Alarmzustand beendet ist, schicken die Nebenstation in ihren zugewiesenen Alarmintervallen eine entsprechende Meldung.
Eine Bestätigung der Hauptstation, dass die Alarmmeldungen eingegangen sind, erhalten die Nebenstationen auf dem zweiten Frequenzband bzw. Subband (433 MHz bzw. 868 MHz + x MHz)
Nebenstation und Hauptstation sind aufeinander synchronisiert, also haben beide die gleiche Systemuhr. Sollte die Uhr der Nebenstation von der Hauptstation abweichen, wird diese entsprechend korrigiert. So ist sicher gestellt, dass die kurzen Alarm-Zeitfenster von Neben- und Hauptstation übereinstimmen. Eine Kollision der Nachrichten ist daher nicht möglich.
Die Hauptstation geht am Anfang jedes Alarmintervall, also typischerweise 32 Mal, in den Empfangsmodus, um eventuell ein Alarmsignal einer Nebenstation empfangen zu können. Um Strom zu sparen schaltet die Hauptstation den Empfang ab, sobald sie bemerkt, dass keine Alarmmeldung gesendet wird.
Wenn eine Nebenstation einen Alarm zu melden hat, dann wartet sie auf ihr vorgegebenes Alarmzeitintervall. Erst dann sendet die Nebenstation zur Hauptstation ihre Alarmnachricht ab. Dies hat zwar den Nachteil, dass in einer Hauptstation mit 32 Nebenstationen die Alarmnachricht bis zu 500 ms verzögert wird. Aber dadurch wird eine mögliche Kollision von (im schlimmsten Fall) 32 Alarmnachrichten zum gleichen Zeitpunkt verhindert. Der erste und letzte Alarm kommt innerhalb von einer Sekunde bei der Hauptstation an.
Es bleibt jetzt der Hauptstation überlassen, in welcher Reihenfolge sie die Alarme an die übergeordnete Zentrale weiter gibt. Der Flaschenhals bei der Übermittlung an die übergeordnete Zentrale ist jetzt nicht mehr die Funkschnittstelle, sondern die serielle Schnittstelle zwischen Hauptstation und der übergeordnete Zentrale. Die reservierte Zeit für die serielle Schnittstelle wird relativ kurz gehalten und beträgt typischerweise jede Sekunde nur 100 ms. Innerhalb der 100 ms können zwar nicht alle Alarmnachrichten an die übergeordnete Zentrale weitergeleitet werden, aber spätestens nach ein paar Sekunden erreicht trotzdem der letzte Alarm die Zentrale. Der erste Alarm ist bereits nach einer Sekunde bei der übergeordneten Zentrale eingegangen. Der in der Norm geforderte Zeitrahmen wird. somit eingehalten.
Es ist zwar von Vorteil, dass man in einem Mehrfach-Transceiver System (Senden + Empfangen), einen Transceiver im Alarmmodus nur für Alarmmeldungen reserviert. Bei 10 oder 32 Alarmmeldungen zum gleichen Zeitpunkt ist auch ein mehrfacher Transceiver überfordert. Die Aufteilung der Zeiteinheit der Hauptstation in Alarmintervallen, dass heißt die Anwendung eines Zeitmultiplexerverfahrens (TDM) vorzugsweise in Verbindung mit einem Frequenzmultiplexerverfahrens (FDM), ist der einzige Garant für die Vermeidung einer Kollision und die damit verbundene illegale Alarmverzögerung von weit mehr als 10 Sekunden.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Nachbarschaftshilfeverfahren

Problemstellung

Die Hauptstation M hat typischerweise 32 Nebenstationen S1 bis S32.

Die direkte Kommunikation zwischen der Hauptstation M und (beispielsweise) Nebenstation S10 ist unterbrochen. S10 hat beispielsweise die Nebenstation S9 als "Broker", die in diesem kritischen Fall S10 bei der Weitergabe der Nachrichten helfen soll. Dabei wird jede Meldung von M an S10 (oder umgekehrt von S10 an M) über S9 umgeleitet. S9 ist bei diesem System eine Art "Kofferträger". S9 leitet einfach nur die Nachricht weiter und interessiert sich nicht über den Inhalt der Nachricht. Ob es dabei um eine normale Nachricht oder um Alarmnachrichten handelt, ist für den Broker S9 gleichgültig.
Die Hauptstation M fordert den Broker S9 auf, wach zu bleiben um "wichtige" Meldungen von oder zur Nebenstation S10 zu übermitteln. S9 merkt allerdings erst nach 32 Sekunden, dass S10 Hilfe braucht. Denn um Strom zu sparen, ist jede Nebenstation nur alle 32 Sekunden kurzzeitig wach. In dieser kurzen Zeit läuft die Integritätsprüfung. D.h. S9 kann gar nicht sofort merken, dass S10 Hilfe benötigt. Denn bis die Hauptstation M und S10 merken, dass die Kommunikation tatsächlich ausgefallen ist, befindet S9 längst wieder im Schlafmodus.
Erst nach 32 Sekunden wacht S9 erneut auf und bleibt notfalls wach, um keine Meldung mehr zu verpassen. Erst dann alarmiert die Hauptstation M die Nebenstation S9, dass die direkte Kommunikation mit S10 unterbrochen ist und ihre Hilfe dringend gebraucht wird.
Dieser Zustand ist nicht unbedingt ein vorübergehender Zustand. Er könnte Stunden, Monate und sogar Jahre dauern, ohne dass die Übergeordnete Gefahrenmeldeanlage (Brandmeldezentrale, Einbruchsmeldezentrale) etwas merkt.
Wie bereits an anderer Stelle ausführlich beschrieben, benötigt die übergeordnete Gefahrenmeldeanlage (Brandmeldezentrale, Einbruchsmeldezentrale) für die Verifizierung und Weiterverarbeitung der Alarmnachricht 6 bis 8 Sekunden, bis diese den Alarm meldet. Die entsprechenden Normen, z.B. die EN54, schreiben ausnahmslos vor, dass eine Alarmierung höchstens 10 Sekunden dauern darf. Eine Alarmnachricht von der Nebenstation S10 muss also innerhalb von zwei Sekunden bei der Hauptstation M ankommen. Bei einer Nachrichtenumleitung in der oben beschriebenen Art (über den Broker S9) ist es allerdings nicht möglich, dieses Zeitlimit einzuhalten. Die Übertragung dauert mindestens 32 + 2 Sekunden.
Wäre der ausgewählte Broker S8 bzw. S7, statt S9, würden die Alarmmeldungen [31 + 2] bzw. [30 + 2] Sekunden dauern, weil die Nebenstationen in der Reihenfolge ihrer Nummerierung durch die Hauptstation abgefragt werden.
Die Nebenstation S10 kann in seltenen Fälle S11 (S11 wird direkt im Anschluss an S10 abgefragt) als "Favorit Broker" auswählen. Selbst dann würde die Alarmmeldung mindestens eine Sekunde länger dauern (2 + 1).
Außerdem ist S11 als Favorit Broker nicht ideal. Bis die Hauptstation M und die Nebenstation S10 den Ausfall der Kommunikation merken, melden und den Umleitungsmechanismus einleiten, sind eine oder zwei Sekunden schon vergangen. S11 oder S12 können nicht rechtzeitig reagieren und gehen nach der Integritätsprüfung wie üblich in den Schlafmodus, um Strom zu sparen. Nur so wird die lange Lebensdauer garantiert. S11 und sogar S12 merken vom Umleitungsmechanismus noch nichts. Erst beim nächsten Zyklus, also nach 32 Sekunden, kann die Nebenstation S11 oder S12 vom Problem bei Nebenstation S10 erfahren und Hilfestellung leisten.
Ein idealer Broker für S10 wäre so die Nebenstation S13 oder S14. Allerdings, auch bei S13 oder S14 dauert die Alarmmeldung statt 2 Sekunden, 2+3 (S13) oder 2+4 (S14) Sekunden. Addiert man die 6 bis 8 Sekunden Verifizierung und Weiterverarbeitung der übergeordneten Gefahrenmeldeanlage, so kommt man im besten Fall auf eine Alarmreaktionszeit von 13 bzw. 14 Sekunden. D.h., unabhängig welche Nebenstation als Broker agiert, wird die Norm selbst bei der kürzesten Alarmreaktionszeit verletzt, da die vorgeschriebenen 10 Sekunden überschritten werden.
Ein System, das nach einem solchen Verfahren darf nicht zugelassen werden, weil bereits systembedingt die Norm verletzt wird. Erschwerend kommt die Tatsache hinzu, dass die Auswahl des idealen Brokers, nicht nach Nummern und zeitlichen Folge der Nebenstationen (also hier 13 oder 14) getroffen wird, sondern nach der Erreichbarkeit und Stärke des HF-Signals. Der beste Broker ist demnach in der Praxis nicht unbedingt S13 oder S14, sondern beliebig auf andere Nebenstationen verteilt.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahren ist: Nebenstationen, die als Broker arbeiten, müssen nicht nur im Alarmfall, sondern auch im Normalfall (bei der Integritätsprüfung) die Kommunikation zur Hauptstation herstellen. Dies kann, wie bereits erwähnt, für einen längeren Zeitraum andauern. Der Broker (im Beispiel die Nebenstation S9) müsste dann die doppelte Arbeit verrichten. Das führt dazu, dass sich die Lebensdauer der Nebenstation S9 verringert und sich im schlimmsten Fall auf die Hälfte reduziert. Brauchen mehrere Nebenstationen Hilfe von den Nachbarn, so sinkt die Lebensdauer nicht nur bei einer Nebenstation, sondern bei weiteren Nebenstationen auch.
Typischerweise liegt die maximale Anzahl von Nebenstationen, die von einer Hauptstation verwaltet werden können deutlich unter 32. In der Praxis liegt diese Zahl eher bei 6 bis 8 Nebenstationen. Dadurch stehen einer Nebenstation von a priori nur wenige potentielle Broker zur Verfügung.
Der Zyklus, mit dem die Nebenstationen abgefragt werden, bleibt dennoch bei 32 Sekunden, denn eine kürzere Abfrageperiode bedeutet, dass jede Nebenstation häufiger aus dem Schlafmodus in den Normalmodus umschalten muss. Dies ist mit einem höheren Stromverbrauch der Nebenstationen verbunden, was eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer mit sich bringt.

Problemlösung

Erfindungsgemäß wird das oben beschriebene und Verfahren angewandt, bei dem der in Fig. 5 gezeigte Zeitzyklus einer Routinesignalperiode Tr verwendet wird.
Jede Nebenstation Sn hat also nach dem neuen Verfahren neben einen A-larmhilfsintervall Z4Sn, auch einen eindeutigen, speziell nur für diese Nebenstation reservierten, Nachbarschaftszeitschlitz Z5Sn. Dieser Nachbarschaftszeitschlitz Z5Sn kommt in jedem periodischen Zyklus der Hauptstation, also in jeder Sekunde vor.
Jede Nebenstation/Melder hat die gleiche "Systemuhr" wie die Hauptstation M. Jede Nebenstation korrigiert ihre "Uhr"/Zeittakt auf die "Uhr"/Zeittakt der Hauptstation. Jede Nebenstation weiß bereits in der Anmeldephase, welche Nebenstation wann zuhört. Die Zeittabelle ist jeder Nebenstation vollständig bekannt und kann von der Hauptstation M nachgefragt und aktualisiert werden.
Im Nachbarschaftszeitschlitz n, meldet die Nebenstation n, dass sie Hilfe braucht, wenn die direkte Kommunikation zur Hauptstation ausfällt.
Jede Nebenstation Sn hat typisch vier Nachbarn, die im Notfall, wenn die direkte Kommunikation zur Hauptstation M ausfällt, zur Verfügung stehen um den Ausfall zu überbrücken. Diese vier Nebenstationen hören jede Sekunde in diesen Nachbarschaftszeitschlitz Z5Sn hinein um eventuell ihre Hilfe anzubieten.. Selbstverständlich können aber auch mehr oder weniger als vier Nachbarn vordefiniert sein, welche im Fehlerfall zur Ausfallüberbrückung zur Verfügung stehen.
Die Hilfe der Nachbarn wird beispielsweise nach folgender Reihenfolge und/oder Priorität in Anspruch genommen:

1) Nachbarstation 1, wird beispielsweise ausgewählt von der Nebenstation n nach dem stärksten Feld. D.h. die Nachbarstation 1 kommuniziert mit der Nebenstation n mit der größten Signalstärke. Bester RSSI mit Nebenstation n.
2) Nachbarstation 2, ausgewählt von der Nebenstation n nach zeitlicher Nähe. D.h. die Nachbarstation 2 kommuniziert zeitlich mit der Hauptstation direkt nach der Nebenstation n. Also: Die Nachbarstation 2 wäre die Nebenstation n+1.
3) Nachbarstation 3, ausgewählt von der Nebenstation n nach zeitlicher Nähe. Die Nachbarstation 3 kommuniziert zeitlich mit der Hauptstation direkt vor der Nebenstation n. Also: Die Nachbarstation 3 wäre die Nebenstation n-1.
4) Nachbarstation 4, ausgewählt von der Nebenstation n nach dem stärksten Feld zur Hauptstation. D.h. die Nachbarstation 4 kommuniziert mit der Hauptstation mit der größten Signalstärke. Bester RSSI zur Hauptstation.

Die Reihenfolge und/oder die Priorität können aber selbstverständlich beliebig an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Solange, die direkte Kommunikation zwischen Nebenstation Sn und Hauptstation M unterbrochen ist, sendet die Nebenstation Sn in ihrem Nachbarschaftszeitschlitz Z5Sn und informiert dabei die anderen vier Nachbarn, dass sie Hilfe braucht und informiert kurz über ihren Zustand.
Es wird nun davon beispielhaft davon ausgegangen, dass die Nachbarstation 1 dem Slave S1 entspricht. In ihrem Nachbarschaftszeitschlitz Z5S1, sendet die Nachbarstation S1 eine Nachricht zur Hauptstation M und informiert diese, dass die Nebenstation Sn noch funktionsfähig ist. Die Nachbarstation S1 sendet also nicht die Nachricht von der Hauptstation zur Nebenstation Sn oder umgekehrt, sondern informiert lediglich, die Hauptstation M über den Zustand der Nebenstation Sn.
Die Nebenstation Sn hört die Meldung von der Nachbarstation 1 zur Hauptstation M mit. Somit weiß die Nebenstation, dass die Hauptstation M über ihren Zustand informiert ist. In der Meldung von der Nachbarstation 1 ist aber noch mehr drin. Es sind auch Befehle an der Nebenstation Sn enthalten, z.B. LED einschalten, die ursprünglich von der Hauptstation M stammen. Die Nebenstation n hört diesen Befehl mit und schaltet sofort z.B. die LED an.
In der nächsten Routinesignalperiode in Ihrem Nachbarschaftszeitschlitz, sendet die ausgefallene Nebenstation Sn, nicht nur die Meldung, dass z.B. kein Alarm ist, sondern auch, dass sie die LED eingeschaltet hat.
Im darauf folgenden Nachbarschaftszeitschlitz Z5S1 der Nachbarstation S1 sendet diese die Informationen der Nebenstation Sn an die Hauptstation M weiter und somit ist diese über den Zustand der ausgefallenen Nebenstation vollständig informiert.
Im Nicht-Alarmfall der Nebenstation Sn sendet die Nachbarstation S1 einmal in ihrem eignen Nachbarschaftszeitschlitz, typischerweise, alle 32 Sekunden (Systemintegritätsprüfungsperiode), um die Anwesenheit und Funktionsfähigkeit der ausgefallenen Nebenstation n, der Hauptstation M zu melden. Meldet aber die Nebenstation Sn einen Alarm und es ist keine direkte Kommunikation zum Master möglich, so hilft die Nachbarstation S1 nicht einmal pro 32 Sekunden (Systemintegritätsprüfungsperiode), sondern jede Sekunde (Routinesignalperiode). Sie sendet jede Sekunde in ihrem Nachbarschaftszeitschlitz Z5S1 dauernd den Alarmstatus der Nebenstation Sn, den sie mitbekommen hat, als die Nebenstation Sn den Alarm in ihrem Nachbarschaftszeitschlitz an alle helfenden Nachbarn gesendet hat.
So ist es gewährleistet, dass der Alarm der ausgefallenen Nebenstation Sn, spätestens in einer halben Sekunde die Hauptstation M über die Nachbarstation S1, erreicht.
Die übrigen drei Nachbarstationen hören in dem jeweiligen Nachbarschaftszeitschlitze alles mit und sind somit in einem Bereitschaftsmodus. Scheitert die Nachbarstation S1, dann ist die Nachbarstation 2 an die Reihe, die in ihrem Nachbarschaftszeitschlitz eine Nachricht zur Hauptstation M und informiert, dass die Nebenstation n noch funktionsfähig und keine weiteren Meldungen vorhanden sind. Scheitern die Nachbarstationen 1 und 2 kommen die Nachbarstation 3 und 4 an die Reihe und zwar in der gleichen Weise, wie oben beschrieben.
Im Normal Modus, also kein Ausfall einer Station und kein Alarm, wird in den Nachbarschaftszeitzyklen nichts gesendet. Die Nebenstationen hören jeweils in vier ihrer Nachbarschaftszyklen ganz kurz rein, d.h. sie aktivieren ihre Empfangseinheit, um zu wissen, ob eine Nachricht von einem der vier Nachbarn, der die Nachbarschaftshilfe benötigt, vorliegt. Falls keine Nachricht vorkommt und somit keine Störungen vorhanden sind, gehen die Nebenstationen dann schnell wieder in den Schlafmodus um Strom zu sparen.
Anhand eines Beispiels wird das neue erfindungsgemäße Verfahren noch einmal näher beschrieben:
Die idealen Nachbarn von S1, die bei der aller ersten Anmeldung während der Installationsphase automatisch von der Hauptstation ausgesucht worden sind, sind beispielsweise in dieser Reihenfolge: S12, S20, S25 und S32.
S1 braucht Nachbarschaftshilfe, also sendet S1 in dem Nachbarschaftshilfeintervall, seinen Zustand, LED, ALARM nicht ALARM,... S1 sendet in der Nachbarschaftshilfeintervall nur und nur, wenn er Hilfe braucht und wenn die Kommunikation zur Hauptstation unterbrochen ist.
Es können nun zwei Fälle auftreten:

Fall 1: S20 hört ganz kurz (typisch 400 µS) in dieses Nachbarschaftshilfeintervall Z5S1 rein und merkt, dass S1 keine Hilfe braucht, dann wechselt S20 wieder in den Schlafmodus (Stand-by -Betrieb).
Fall 2: S20 hört ganz kurz (typisch 400 µS) in Z5S1 rein und merkt, dass S1 doch Hilfe braucht, dann bleibt S20 für typisch 10 mS kurz wach, hört die Nachricht von S1 samt den gesamten Zustand von S1.

Im SN20 sendet die S20 an die Hauptstation nicht die volle Nachricht von S1 weiter, also keinen Kofferträger, sondern nur den Zustand von S1. Also nur ein paar Bits, die je nach Zustand 1 oder 0, den Alarmzustand, den LED Zustand, den Batteriezustand, den Anwesenheitszustand wiedergeben. Also nur die wichtigsten Infos.
S25 hat auch in Z5S1 reingehört, weiß also dass S1 Hilfe braucht. S25 hat in Z5S20 reingehört, weiß also dass S20 helfen konnte.
Sollte S1 gar keine Hilfe brauchen, dann hört S25 nur Z5S1, sieht, dass S1 keine Hilfe braucht. S25 würde wegen S1 dann nicht mehr in Z5S20 reinhören.
Sollte S20 nicht in der Lage zu helfen, weil er selber Hilfe braucht und selber keine Kommunikation zum Master hat, dann sendet S25 in Z5S25 den Zustand von S1 an die Hauptstation weiter.
S32 hat auch in Z5S1 reingehört, weiß also dass S1 Hilfe braucht. S32 hat auch in Z5S20 reingehört, weiß also dass S20 helfen konnte. Sollte S20 nicht helfen können, erst dann hört S32 auch in Z5S25 und sieht, dass S25 helfen konnte.
Sollte S20 und S25 nicht in der Lage zu helfen, weil sie selber Hilfe brauchen und selber keine Kommunikation zum Master haben, dann sendet S32 in Z5S32 den Zustand von S1 an die Hauptstation weiter.
Sollte S1 gar keine Hilfe brauchen, dann hört S32 nur SN1, sieht, dass S1 keine Hilfe braucht. S32 würde wegen S1 dann nicht mehr in Z5S20 und nicht mehr in Z5S25 reinhören.
Dieses Verfahren ist erst jetzt technisch möglich geworden, nachdem die Einschalt- und Ausschaltzeit sich massiv verkürzt hat auf typisch ca. 400 µS. Der nötige Stromverbrauch dafür ist dadurch sehr gering geworden. Die Haupt- und Nebenstation hören in solchen Intervallen sehr kurz rein (d.h. sie gehen in den Empfangsmodus) und gehen schnell wieder in Schlafmodus. Erst durch neue diskrete und neue Empfängertechnik ist dies möglich geworden. Dies hat die Tür für solche neue Verfahren eröffnet. Wegen dem hohen Stromverbrauch und langer Ein- und Ausschaltzeiten waren diese Verfahren in der Gefahrenmeldetechnik früher gar nicht denkbar.
Durch das neue erfindungsgemäße Verfahren mit Nachbarschaftszeitlitzen für jede Nebenstation n, wissen die bei der Anmeldung ausgesuchten vier Nachbarstationen über den Zustand der Nebenstation n (Alarmzustand, Anwesenheit, Batteriezustand), wenn ihre direkte Kommunikation zur Hauptstation ausfällt. Die Nachbarstation hat alle Informationen, die die Hauptsstation M verlangt: Status, Alarmzustand, Batteriezustand und kann somit sofort der Hauptstation M weitermelden, ohne dabei als Repeater zu fungieren und die gesamte Rohnachricht weiterzumelden. Zu keinem Zeitpunkt sind die Nachbarstationen, nach dem neuen Verfahren primitive "Kofferträger". Sie leiten nie die Post einfach weiter. Sondern sie brechen das "Postgeheimnis", öffnen die Post und leiten nur die "Aktion/Meldung" weiter.
Das neue Verfahren hat den Vorteil, dass die Alarmzeit von 2 Sekunden immer eingehalten wird. Auch im Störungsfall, wo eine direkte Kommunikation von der Nebenstation n zur Hauptstation M nicht möglich ist, wird die Alarmreaktionszeit von zwei Sekunden immer eingehalten.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Selektionsverfahren zum schnellen Erkennen des eigenen HF-Signals in einem synchronen Funksystem einer Funk-Gefahrenmeldeanlage

Problemstellung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen aus dem Konsumenten-Bereich, bei denen Kommunikationsstörungen einfach hingenommen werden, sind diese bei Gefahrenmeldeanlagen und anderen sensiblen Systemen äußerst unerwünscht. Synchronisationsprobleme und s. g. Fading-Löcher sind oftmals die Hauptursachen bei Kommunikationsstörungen.
Um Störungen zu vermeiden ist ungemein wichtig, neue Synchronisationsverfahren zu entwickeln und Fading-Löcher zu vermeiden.
Die mit Abstand wichtigste Maßnahme gegen Störungen ist die Maximierung der Empfangsempfindlichkeiten von Hauptstation M und der Nebenstationen.
Ein System, das im LINK BUDGET eine Reserve von 40 bis 50 dB hat, reagiert weniger empfindlich auf Störungen, als ein System mit geringerer Reserve. Anders ausgedrückt: Wenn die Reichweite des Systems 1000 Meter beträgt und man würde Haupt- und Nebenstation mit höchstens 100 Meter Abstand installieren, dann ist die Signalstärke deutlich höher als bei einem Abstand von 1000 Meter. So ein System ist schwerer zu stören, weil es noch über eine große Reserve verfügt. Würde man die gleiche Reserve von 40 bis 50 dB auf Systeme anwenden, die nur eine Empfindlichkeit von maximal -105 dBm aufweisen, würde sich die Reichweite zwischen Haupt- und Nebenstation auf maximal 2 bis 5 Meter reduzieren. Eine solch geringe Reichweite von 2 bis maximal 5 Meter stellt überhaupt den Sinn von Funkanlagen in Frage.
Würde man trotz hoher Empfindlichkeit mit einer Reserve von nur 20 dB statt 40 dB arbeiten, so ist erfahrungsgemäß mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Störungsmeldungen zu rechnen, die im Laufe der langen Lebensdauer auftreten.
Die maximale Leistung, mit der ein Funk-Sender senden darf, ist durch die ETSI Norm EN300220 begrenzt. Um eine Reserve von 40 bis 50 dB zu erreichen bleibt nur die Möglichkeit, die Empfindlichkeiten der Hauptstation M und Nebenstationen zu maximieren. Bei den meisten Systemen erreicht der Empfänger gerade eine Empfindlichkeit von nur -100 bis -105 dBm (Datenrate 5 kBit/s, Manchester 10 kBaud). Um die hohe Reserve in der Leistungsbilanz zu erreichen, sollte entsprechend eine bessere Empfindlichkeit von - 125 dBm (Datenrate 5 kBit/s, Manchester 10 kBaud) erreicht werden. Eine Empfindlichkeit von -125 dBm ist für sich allein schon eine technische Herausforderung. Zudem bringt sie noch technische Probleme und große Nachteile für die Selektion mit sich. Daher verzichten viele Systeme auf die extrem hohe Empfindlichkeit und müssen so mit hoher Störungswahrscheinlichkeit leben.
Hohe Empfindlichkeit war bisher ein Synonym für schlechte Selektivität und hohe Wahrscheinlichkeit für den Empfang fremder HF-Signale.
Ein empfindliches System findet im Bereich von -110 bis -125 dBm Störnadeln und hohes Rauschen. Fällt der Empfänger der Haupt- oder der Nebenstation auf fremde Signale (wie Störnadeln oder Rauschen) rein, so verliert er Zeit und Strom und vor allem verpasst sein eigenes Signal, das er empfangen muss. Die Funkkommunikation zwischen den beiden Kommunikationspartnern fällt dann aus und eine Störungsmeldung muss ausgesendet werden. Der Empfang falscher Signale ist auch der Hauptgrund für Synchronisationsprobleme bei heutigen Funksystemen. Es ist heutzutage äußerst selten, einen Einsatzort für eine Gefahrenmeldeanlage zu finden, wo die Frequenzbänder 433 bis 434 MHz und 863 bis 870 MHz bis zu einem Leistungspegel von -125 dBm rauschfrei sind.
Jeder Computer, jedes Handy, jedes schnurlose Telefon, jedes Babyphon, jedes schnurlose Headset usw. strahlt im Hochfrequenz Bereicht. Diese HF-Emissionen sind nicht nur in ihren eigenen Frequenzbändern (in denen diese Geräte arbeiten) zu finden, sondern auch in den Bändern 433 und 868 MHz, in denen auch die Gefahrenmeldeanlagen arbeiten. Diese HF-Ausstrahlungen nehmen die Form von Störnadeln an. Durch solche Nachbarstörer findet man in den eigenen Frequenzkanälen einen ziemlich hohen Rauschpegel.
Das Problem dabei ist, dass dieses hohe Rauschniveau teilweise sogar legal ist. In direkter Nachbarschaft zu den Frequenzkanälen von Gefahrenmeldeanlagen dürfen verschiedene Geräte eine Leistung von bis zu -37/-36 dBm abstrahlen. Zum Beispiel: Babyphone zwischen 869.7 und 870 MHz, Headsets zwischen 863 und 864 und RF ID Geräte mit einer Leistung von 0,5 bis 2 Watt zwischen 865 und 868 MHz.
Selbst wenn von den -37 bzw. -36 dBm nur ein extrem kleiner Teil bei den Gefahrenmeldesystemen ankommt, bleibt dieses Signal stark genug um möglicherweise Störungen hervorzurufen. Vor allem bei Empfängern, die bis zu -125 dBm empfindlich sind. In den nächsten Jahren werden diese Störausstrahlungen noch mehr zunehmen, weil sich der Verkauf von den verschiedensten Funkkomponenten weltweit vervielfachen wird.
Zudem kommt erschwerend hinzu, dass die Gefahrenmeldeanlage selbst ein oder mehrere integrierte Schaltkreise aufweisen. Diese Rechner verursachen das so genannte "ON BOARD NOISE" für die Funkkomponenten, welches nur schwer technisch zu selektieren ist. Noch schwerer wiegen die Störsignale, die vom Mikrocontroller und der Quarze der Funkkomponenten stammen. Diese Störsignale sind örtlich extrem nah zu den Funkeinheiten und verursachen ein hohes Rauschen bzw. Störnadeln.
Ein System dessen Empfindlichkeit bei -100 dBm beträgt, erkennt 99,9% dieses Rauschen und der Störnadeln gar nicht. Die extrem hohe Empfindlichkeit von anderen Systemen ist daher nicht unbedingt beliebt, es wird deshalb leider auf mindestens 20 dB verzichtet wird.
Durch Frequenzspreizungsverfahren - Verfahren (so genannten Spread - Spektrums - Verfahren) und ähnliche Verfahren, versucht man gegen diese Störnadeln und hohes Rauschniveau vorzugehen. Allerdings brauchen diese Verfahren eine hohe Bandbreite von mindestens mehreren Megahertz, damit sie effizient und wirkungsvoll agieren. Der Stromverbrauch von Frequenzspreizungsverfahren ist dazu sehr hoch und eignet sich nicht für diese Anwendungen von Gefahrenmeldeanlagen (Brand, Einbruch), bei denen man eine hohe Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren anstrebt. Für die Frequenzkanäle, u.a. die Alarmkanäle, z.B. im Band 868 MHz, wo die Bandbreite nur 25 bis 100 kHz breit sind, kommen solche Verfahren überhaupt nicht in Frage. Wenn das Nutzsignal stark ist, bzw. viel stärker als die Störsignale, dann ist es relativ einfach, die Störungen zu unterdrücken. Dies ist aber nicht immer der Fall. Oft, sind die Störungen stark bzw. das eigene Signal zu schwach.
Erst dort, also bei schwachen Nutzsignalen bzw. an der Empfindlichkeitsgrenze, unterscheiden sich gute Empfangssysteme von Standardsystemen.

Problemlösung

Die Funknachricht einer Nebenstation oder der Hauptstation weist sowohl im Frequenz- als auch im Amplitudenverlauf eindeutige Merkmale auf. Hierfür kann jedes Signal, insbesondere jedes Routinesignal einen besonderen Impuls I1 bzw. I11 aufweisen, wie in Fig. 3 gezeigt.
Der Amplitudenverlauf und der Frequenzverlauf sind darin eindeutig und werden nur dem eigenen System zugewiesen: Beispielhaft wird die Amplituden am Anfang der Funknachricht treppenförmig um jeweils 3 dB gesteigert, dann wieder um 2 dB gesenkt, dann wieder um 4 erhöht. Diesen Amplitudenverlauf haben alle Sender nach dem neuen Verfahren gemeinsam. So erkennt man leicht das eigene Signal. Ein Störsignal, der genau diesen Amplitudenverlauf aufweist wäre extrem unwahrscheinlich. Dieser Amplitudenverlauf ist zeitlich sehr kurz (< 1 ms) und kostet kaum mehr Strom. Ein Signal, der diesen Amplitudenverlauf nicht aufweist, wird schnell aussortiert.
Der Amplitudenmusterverlauf geht noch weiter: Nach der letzten Erhöhung im Beispiel um 4 dB beginnt der für jede Funkzelle, aufweisend die Hauptstation M1 und die Nebenstation M1S1 bis M1Sn, typische Amplitudenverlauf, beispielsweise absinken der Leistung um 3 dB dann Erhöhung um 5 dB. So kann man nicht nur erkennen, ob es sich um ein System nach diesem Verfahren handelt, sondern sogar, um exakt welche Funkzelle es sich handelt.
Auch, wenn jede Funkzelle (Hauptstation Mx und Nebenstation Mx Sn) auf verschiedene Frequenzen arbeiten, kann es manchmal hilfreich sein, wenn jede Hauptstation zum Schluss ihr eigenes Amplitudenmuster hat, z.B. wenn in bestimmten Fällen die Hauptstationen miteinander kommunizieren sollen.
Beim Amplitudenverlauf geht nicht um eine sehr genaue Messung des Pegels, sondern es geht um einen typischen Verlauf, also um eine Mustererkennung. Dabei kann die genaue Pegelermittelung um +/- 1 dB abweichen.
Die zweite Selektionsmaßnahme ist der Frequenzmusterverlauf. Ist der Amplitudenverlauf richtig erkannt, kommt anschießend die Frequenzmustererkennung. Die Frequenz des Sendesignals der Haupt- oder Nebenstation wird dabei kurz nacheinander um jeweils ein paar kHz verschoben gesendet, so identifizieren die Empfänger der Haupt- oder der Nebenstation dieses Signals als eindeutige Systemeigenes Signal und nicht als Fremdes Signal (Störer).
Durch das aufeinander folgende Senden von zwei Signalen, bei dem ein bestimmter Frequenzunterschied liegt (z.B. 15 kHz oder z.B. 17 kHz), erkennt der Empfänger, dass dies kein Zufall sein kann, sondern es sich hier wirklich um das eigene Systemsignal handelt. Der Abstand der beiden seriellen Frequenzen zueinander gibt jeder Haupt-/Nebenstation ein eindeutiges Merkmal, dass sich um das erwartete Signal handelt. Umgekehrt hat ein Störer oder Fremdsignal keine Chance, durch dieses "Filter" hindurch zu kommen und exakt diesen Frequenzverlauf nachzubilden.
Ein Störsignal, das zuerst den Amplitudenverlauf und danach den Frequenzverlauf erfüllt, ist realistisch nicht möglich. Somit wäre die Selektion nach dem neuen Verfahren trotz hoher Empfindlichkeit möglich, ohne dabei Gefahr zu laufen, auf ein fremdes Störsignal hereinzufallen.
Man beachte, dass die Reihefolge des Amplitudenverlauf und Frequenzverlauf getauscht werden kann. Es ist sogar denkbar, beide Verläufe zum gleichen Zeitpunkt zu kombinieren: Nachdem der Frequenzverlauf eine relativ kleine Frequenzdifferenz, beispielsweise 15, 17 oder 20 kHz, aufweist, bleibt die Pegelmessung (RSSI Signal) für den Amplitudenverlauf, davon nahezu unberührt.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Verbesserung der Basiskanalsuche

Problemstellung:

Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen aus dem Konsumenten-Bereich, bei denen Kommunikationsstörungen einfach hingenommen werden, sind diese bei Gefahrenmeldeanlagen und anderen sensiblen Systemen äußerst unerwünscht.
Eine bedeutende Ursache der Störungen ist die Kollision mit anderen fremden Funksignalen von anderen Systemen, die im gleichen Band/Kanal senden.
Obwohl man sich zu Beginn der Installation des Systems einen freien Basisfrequenzkanal zu finden, kann es oft passieren, dass Monate oder Jahre danach im Laufe einer langen Lebensdauer, ein oder mehrere neue Systeme auf den gleichen Frequenzkanal zurückgreifen. Dabei muss der Frequenzkanal nicht voll belegt sein: Es reicht, wenn das Rauschniveau durch benachbarte Funksignale/Störer erhöht wird.
Die meisten preiswerten Funksysteme haben einen festen Frequenzkanal im 433 oder 868 MHz und kommunizieren dort, egal ob dieser Frequenzkanal schon belegt oder nicht. Erschwerend kommt hinzu, dass die Bandbreite dieser Systeme nicht schmal, (also nicht 12,5, 25 oder 50 kHz) sondern meistens zwischen 500 und 600 kHz beträgt. D.h. es ist nicht ein einziger 25 kHz Kanal, der belegt ist, sondern gleich 20 oder 25 Kanäle. Befinden sich 10 oder 20 Funksysteme in direkter Nachbarschaft einer Funkgefahrenmeldeanlage, so hat diese fast keine Chance reibungsfrei zu funktionieren, auch wenn diese zahlreichen Störer einen Duty Cycle einhalten müssen. Der Duty Cycle reicht bei weitem nicht aus, um Kollisionen zu verhindern.
Ein hochwertiges Funksystem in einer Gefahrenmeldeanlage muss die Fähigkeit haben, mehrfach in der Frequenz weit weg zu springen, um diesen Störungen aus dem Weg zu gehen.
Die meisten Störsysteme sind selbst auch dauerhaft und fest installiert. Die Haupt- und Nebenstation müssen daher ständig, also alle 32 Sekunden, auf andere freie Frequenzen springen, um eine einwandfreie Kommunikation zu gewährleisten.
Dies geht auf Kosten des Stromverbrauchs. Die Lebensdauer sinkt dadurch rapide und beträgt statt 5 bis 10 Jahre, höchstens 1 bis 2 Jahre.

Problemlösung:

Um das beschriebene Problem zu lösen, erkennt die Hauptstation während des normalen Betriebs, dass sie zu oft einen Kanalwechsel durchführt. Sie kann nunmehr die routinemäßige Kommunikation auf den funktionsfähigen Kanal im nicht gestörten Frequenzbereich beschränken.
Beispielsweise ist denkbar, dass eine Kommunikation über den aus dem Stand der Technik bekannten Quittungsbetrieb erfolgt, für den lediglich ein halbduplex-fähiger Transceiver notwendig ist. Somit ist der andere Transceiver der Hauptstation ungenutzt und kann für eine breitbandige Frequenzsuche genutzt werden, bei der ein neuer, ungestörter Frequenzbereich gefunden werden soll. Im Hintergrund führt die Hauptstation also mit dem zweiten doppelten Empfänger, d.h. mit dem zweiten Transceiver, einen ausführlichen SCAN durch, auf der Suche nach einem neuen freien und rauscharmen Frequenzkanal. Ist ein neuer freier Frequenzkanal gefunden, so alarmiert die Hauptstation all ihre Nebenstationen, dass zum Zeitpunkt x die Kanalfrequenz gewechselt wird und dass ab dem Zeitpunkt x nur dort kommuniziert wird.
Zum anderen wird nicht nur nach einem neuen freien und rauscharmen Basisfrequenzkanal gesucht, sondern es wird auch vorausgesetzt, dass die Spiegelfrequenz des neuen Basisfrequenzkanals frei ist. Auch die dazugehörigen Alternativkanäle (5 bis 7 Alternativkanäle) müssen freie und rauschfreie Frequenzen aufweisen. Zuletzt wird die Intermodulation, die Summen und Produkte zweiter und dritter Ordnung, für den neuen Basiskanal untersucht, ob von dort Störungsgefahr droht. Es wird nicht sofort auf den neuen Basisfrequenzkanal gewechselt. Erst nach ein paar Tagen, wenn sicher ist, dass es sich hier um einen dauerhaften Störer handelt, entscheidet sich die Hauptstation für den Basiskanalwechsel. Die Hauptstation speichert diese Vorgänge, um die Störer nach Häufigkeit und nach genau periodischem zeitlichem Auftreten zu sortieren und zu dokumentieren.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Anmeldeverfahren von Nebenstationen an einer Hauptstation

Problemstellung:

Störsignale und fremde Funksignale verursachen ein weiteres ernsthaftes Problem. Bei der Anmeldung fabrikneuer Nebenstationen an der Hauptstation M, müssen die Nebenstationen bisher entweder manuell auf einen bestimmten Frequenzkanal eingestellt werden oder sie senden zum ersten Mal auf den so genannten Servicefrequenzkanal. Dieser Servicefrequenzkanal hat für alle Anlagen immer die gleiche feste Frequenz. Ist diese Frequenz am Einsatzort von einem anderen fremden System belegt, oder wird sie gestört, so ist eine Installation nicht möglich. Ist das Rauschniveau beim Servicefrequenzkanal durch einen Nachbarstörer oder Funkstörer zu hoch, was relativ oft vorkommt, so ist eine Installation entweder nicht möglich oder die Reichweite bei der Installation ist sehr gering.

Problemlösung:

Die Hauptstation scannt eine bestimmte Anzahl von Service Kanälen, typischerweise vier. Diese Servicekanäle wurden vorher vom System festgelegt. Diese Servicekanäle sind bei der Kalibrierung in der Fertigung jeder Haupt- und Nebenstation bekannt. Die Servicekanäle sind auf das ganze Frequenzband bzw. die Frequenzbänder so verteilt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass alle auf einmal belegt oder gestört sind, extrem niedrig ist. Beim ersten Einsatz, also während der Anmeldung, scannt die Hauptstation alle Servicekanäle und wählt den besten freien Servicekanal, der am wenigsten Rauschen hat.
Beim ersten Einsatz, also während der Anmeldung, scannt die Nebenstation, alle Servicekanäle bis sie den Kanal findet, den die Hauptstation ausgewählt hat. In diesem Kanal sendet die Hauptstation während der ersten Anmeldung, die s.g. Anmeldenachrichten. Dort erfolgt auch die Anmeldung.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Anmeldeverfahren bei mehreren Hauptstationen

Problemstellung:

In der Regel wird nicht eine einzige Hauptstation mit den dazugehörigen mehreren Nebenstationen installiert, sondern mehrere Hauptstationen am selben Gebäude/Anlage/Ort installiert. Typischerweise hat z.B. bei einer Brandmeldeanlage jede Hauptstation bis zu 32 Nebenstationen. In dem oben beschriebenen System können typischerweise bis zu 40 Hauptstationen in direkter Nachbarschaft aktiv sein. Die Hauptstationen können an eine gemeinsame übergeordnet Zentrale, wie eine Brandmeldezentrale (BMZ), angeschlossen sein.
Jede der 40 Hauptstationen nimmt einen von den 40 Basisfrequenzkanälen, falls dieser Kanal frei ist. Die 40 Basiskanäle und ihre jeweils typischen 7 Alternativkanäle sind nach einem bestimmten Algorithmus so gewählt, dass sie sich im "Worst Case" unter keinen Umständen nähern oder gar stören. Der "Worst Case" bedeutet hier, dass alle 40 Hauptstationen sieben Mal auf die Alternativkanäle springen müssen. Nicht nur die 40 Kanäle sind einzig, sondern auch jeweils die 7 Alternativkanäle.
Würde eine neue Hauptstation im SCAN Modus, d.h. im Suchmodus, alle 40 Kanäle mit allen 7 alternativen Frequenzkanälen, Spiegelfrequenz und Intermodulationsfrequenzen durchsuchen, so würde das Scannen (Suchen) Stunden dauern, obwohl zwei oder mehr Empfänger parallel aktiv sind. Kein Installateur, der die Inbetriebnahme einer Anlage durchführt, würde solange warten wollen oder können.

Problemlösung

Im SCAN MODUS (Suchmodus) ist die aktive scannende (suchende) Hauptstation M1 im Receiver Modus (Empfangsmodus) und empfängt mit ihren beiden oder mehr Empfängern auf der Suche nach einem von 40 freien Kanälen (wie oben beschrieben). Nach dem Verfahren macht die Hauptstation M1 mehr als lediglich Empfangen. Die Hauptstation sendet ein so genanntes "Anwesenheitssignal" und bittet jede anwesende Hauptstation, sich bei ihr zu melden. Alle bereits vorhandenen Hauptstationen nehmen Kontakt zur den bereits vorhandenen Hauptstationen auf.
Dies erleichtert und beschleunigt immens die Suche nach freien Kanälen und vermeidet die Belegung der bereits reservierten Basiskanäle. Vor allem Hauptstationen, die eine einzige Nebenstation haben, melden sich sehr kurz an (ein paar ms). Es ist daher schwer, diese zuverlässig zu detektieren, wenn man nicht lange genug wartet.
Dieses Verfahren hat einen weiteren Vorteil: Befinden sich mehrere Hauptstationen M1, M2, Mn im Anmeldemodus, kann eine neue aus der Fertigung kommende Nebenstation zunächst nicht wissen, bei welcher Hauptstation sie sich nun zum ersten Mal melden soll.
Es ist deshalb streng verboten, dass sich mehr als eine Hauptstation im Anmeldemodus befindet. Trotzdem, kann man auf dem Feld dies nie ausschließen. Es muss nicht immer unbedingt der Fehler des Installateurs sein. Bei einer Reichweite von mehreren hundert Metern innerhalb von Gebäuden (mehrere Kilometer im freien Feld), kann es beispielsweise leicht passieren, dass zwei oder mehrere Installateure, die voneinander nichts wissen, Gefahrenmeldeanlagen zum gleichen Zeitpunkt installieren wollen und somit beide sich im Anmeldemodus befinden. In diesem Fall kann es möglich sein, dass sich eine neue, aus der Fertigung kommende Nebenstation bei der falschen Hauptstation und somit bei der falschen Gefahrenmeldeanlage meldet.
Dank des s. g. Anwesenheitssignals, erkennt eine Hauptstation M1, dass sie sie nicht alleine im Anmeldemodus befindet, sondern eine oder mehrere andere Hauptstationen sich auch im Anmeldemodus befinden. Daraufhin meldet die Hauptstation dies der übergeordneten Gefahrenmeldeanlage und weigert die Fortsetzung des Anmelde-Modus um schlimmeres zu verhindern.

Weiterer Aspekt der Erfindung: Anpassung der Resonanzkurve der Antennen

Problemstellung:

Eine bedeutende Ursache der Störungen und der Kommunikations-Ausfällen ist, dass das empfangene HF-Feld bzw. das gesendete HF-Feld von der Antenne schwach ist. Das empfangene bzw. das gesendete HF-Feld an der Hauptstation und/oder an der Nebenstation wird dann schwach, wenn die Antennen an der Haupt- oder Nebenstation nicht mehr in Resonanz sind.
Ein hoher Temperaturunterschied, ein im Laufe des langen Lebensdauer neue dazu gekommener Gegenstand in direkter Nähe der Antennen, usw., führen dazu, dass die Antennen sich aus ihrer Resonanzkurven wegdriften und dabei problemlos 10 dB an Reflektionsfaktor verlieren.
Die Antennen der Hauptstation und der Nebenstation werden entwickelt und in der Fertigung so angepasst und kalibriert, dass die Mitte der Resonanzkurve bei alle Antennen bei der Arbeitsfrequenz liegt. Je nach Position im Installationsfeld und je nach Umweltbedingungen (Temperatur und Feuchte) verschiebt sich die Resonanzkurve der Antennen jedoch. Die Resonanzkurve verschiebt sich auch, wenn unmittelbar in der Nähe der Haupt- oder Nebenstation sich ein oder mehrere Hindernisse/Gegenstände befinden oder es dazu kommt. Im Laufe einer Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren sind neue oder andere Hindernisse, die Antennenresonanzen beeinflussen, gar nicht unwahrscheinlich.
Wenn sich die Antennen nicht mehr in ihrer Resonanzkurven befinden, verlieren sie massiv an ihrem Antennengewinn. Die Konsequenz ist, dass die Reichweite des Systems, also Reichweite zwischen Haupt- und Nebenstation, sich auf die Hälfte oder sogar auf ein Viertel reduziert. Häufige Kommunikationsstörungen sind die Folge.

Problemlösung:

Die Haupt- bzw. Nebenstationen senden sich gegenseitig einen konstanten HF-Puls I2 bzw. I12, ein s. g. Antennen-Tune-Pulssignal, wie in Fig. 3 gezeigt. Dieses Pulssignal ist von ein einer kurzen Dauer von 20 bis maximal 500 µs. In dieser Zeit misst der Empfänger Amplitude und Phase des HF-Feldes und korrigiert das Anpassnetzwerk der Antenne/Antennen, bis ein Maximum in der Amplitude erreicht wird. Dort sind Antenne/Antennen in voller Resonanz.
Das Anpassnetzwerk der Antenne/Antennen kann man online anpassen/tunen, bis die Amplitude ein Maximum erreicht, in dem man für das Anpassnetzwerk statt normaler diskreter Bauelemente, andere Bauelemente verwendet. Diese sind statt eines Kondensators, z.B. eine Varaktordiode oder z.B. ein Gyrator an der Stelle von einer Induktivität oder z.B. schaltbare Stripleitungen. So kann man die Kapazitätswerte mit einem Steuersignal um ein paar Picofarad ändern. Das Gleiche gilt für die Induktivitäten. Hier wird die Induktivität um ein paar Nanohenry optimiert. In den meisten Fällen reicht diese kleine Optimierung des Anpassnetzwerks aus, um wieder eine ideale Resonanzkurve der Antennen zu erreichen und den Reflexionsfaktor der Antenne zu minimieren.
So kann man in geringem Maße die Antennenanpassung online regelmäßig überprüfen und gegebenenfalls verbessern. Dadurch bleibt das empfangene Signal bzw. das gesendete Signal von den Antennen stark genug um Kommunikationsausfälle und Störungen zu vermeiden.
Zusammengefasst weist der Anfang eines jeden Routinesignals drei Impulse auf, wie in Fig. 3 gezeigt. Vorzugsweise folgen diese drei Impulse in der folgenden Reihe:

1. Ein Erkennungsimpuls I1 bzw. I11, durch individuellen Amplituden- und Frequenzverlauf,
2. ein Impuls I2 bzw. I12 zur Korrektur der Resonanzkurve der Empfangsantenne und
3. ein Synchronisationsimpuls I3 zur Zeit- und/oder Frequenzsynchronisierung, wobei dieser lediglich von der Hauptstation gesendet wird, während die gerade aktive Nebenstation zeitgleich empfängt und einen Abgleich vornimmt.

Claims

Verfahren zur Funkübertragung von Melderdaten in einem Gefahrenmeldesystem, bei dem von Nebenstationen (S1, S2, Sn), die je mit einem Zustandsmelder gekoppelt sind, an eine Hauptstation (M1) Melderdaten sowie die Nebenstationen (S1, S2, Sn) identifizierende Adressen übermittelt werden, wobei
- nacheinander eine Routineüberprüfung des Systemzustands jeder Nebenstation (S1, S2, Sn) durchgeführt wird, und

- bei der Routineüberprüfung einer jeden Nebenstation (S1, S2, Sn) die jeweilige Nebenstation (S1, S2, Sn) in einem zugeordneten Routinesignalzeitschlitz an die Hauptstation ein Nebenstations-Routinesignal auf einem ersten Kanal sendet und gleichzeitig die Hauptstation (M) ein Hauptstations-Routinesignal an die jeweilige Nebenstation auf einem zweiten Kanal sendet.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Routineüberprüfung des Systemzustands jeder Nebenstation innerhalb einer Systemintegritätsprüfungsperiode (T_ges) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Nebenstation (S1, S2, Sn) ein Nebenstations-Routinesignal in einem ersten Frequenzbereich sendet und die Hauptstation (M) ein Hauptstations-Routinesignal in einem zweiten Frequenzbereich aussendet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Ende des Aussendens des Hauptstations- Routinesignals durch die Hauptstation (M) und/oder des Nebenstations-Routinesignals durch die jeweilige zeitgleich sendende Nebenstation (S1, S2, Sn), vorzugsweise im letzten Bit, eine Bestätigung mitgesendet wird, dass zumindest der Anfang des korrespondierenden, zeitgleichen Routinesignals empfangen worden ist, und/oder
eine Auswertung des jeweils empfangenen Nebenstations- und Hauptstations-Routinesignals durch die Hauptstation (M) und die jeweilige Nebenstation (S1, S2, Sn) im Anschluss an den vollständigen Erhalt des Routinesignals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem ersten und/oder zweiten gestörten Frequenzbereich die Hauptstation (M) und die jeweilige Nebenstation (S1, S2, Sn) auf einen anderen Kanal innerhalb des gestörten Frequenzbereichs wechseln, wobei vorzugsweise
ein weiterer Frequenzkanalwechsel, insgesamt vorzugsweise bis fünf- oder siebenmal, erfolgt, falls die Störung nach dem Wechsel noch auftritt, wobei vorzugsweise
- nach einer vorbestimmten Anzahl an Frequenzkanalwechseln ein Breitband-Hintergrundscan durchgeführt wird, bei dem das Frequenzspektrum breitbandig nach einem neuen ungestörten Frequenzbereich abgesucht wird, wobei

- während dessen weiterhin eine Kommunikation zwischen der Hauptstation (M) und den Nebenstationen (S1, S2, Sn) im nicht gestörten ersten oder zweiten Frequenzbereich erfolgt; und

- nach Ermittlung eines neuen Frequenzbereichs auf diesen gewechselt wird, wobei vorzugsweise
der Breitband-Hintergrundscan über einen Zeitraum, vorzugsweise von mindestens 2 Stunden, besser mehr als 20 Stunden und am besten über mehrere Tage, durchgeführt wird, bei dem statistische Daten, wie beispielsweise die Häufigkeit, Art und Anzahl von Störungen gesammelt werden, und diese Daten im Anschluss zur Bestimmung eines neuen, ungestörten Frequenzbereichs ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Anfang von jedem Nebenstations- und/oder Hauptstations-Routinesignal ein eindeutiger Erkennungsimpuls (I1; I11) gesendet wird, wobei vorzugsweise
der Erkennungsimpuls (I1; I11) einen eindeutigen Amplituden- und/oder Frequenzverlauf aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Anfang von jedem Nebenstations- und/oder Hauptstations-Routinesignal ein Impuls (I2, I12) zur Korrektur der Resonanzkurve einer Empfangsantenne der Hauptstation und/oder der jeweiligen Nebenstation (S1, S2, Sn) gesendet wird, mittels dessen die Resonanzkurve korrigiert wird, und/oder am Anfang von jedem Hauptstations-Routinesignal ein Synchronisationsimpuls (I3) gesendet wird, mittels dessen die jeweilige empfangende Nebenstation (S1, S2, Sn) zeitlich und/oder frequenzmäßig mit der Hauptstation (M) synchronisiert wird.
Verfahren zur Funkübertragung von Melderdaten in einem Gefahrenmeldesystem, bei dem von Nebenstationen, die je mit einem Zustandsmelder gekoppelt sind, an eine Hauptstation Melderdaten sowie die die Nebenstation identifizierende Adressen übermittelt werden,
nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- innerhalb einer Systemintegritätsprüfungsperiode nacheinander eine Routineüberprüfung des Systemzustands jeder Nebenstation (S1, S2, Sn) durchgeführt wird,

- für jede Nebenstation (S1, S2, Sn) die Routineüberprüfung innerhalb eines zugeordneten Routinesignalzeitschlitzes (Z1) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen zwei Routinesignalzeitschlitzen (Z) für jede Nebenstation ein Alarm-Zeitschlitz (Z4S1, Z4S2, Z4Sn) und/oder ein Nachbarschaftshilfe-Zeitschlitz (Z54S1, Z54S2, Z54Sn) vorgesehen ist, in dem die jeweilige Nebenstation zum Senden eines Alarmsignals und/oder eines Nachbarschaftshilfesignals berechtigt ist.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Nachbarschaftshilfesignal einer bestimmten Nebenstation dem Alarmsignal der bestimmten Nebenstation unmittelbar vorangeht oder nachfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
- bei Ausfall der Kommunikation zwischen einer ersten Nebenstation (S1) und der Hauptstation (M1) die erste Nebenstation (S1) in dem ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfe-Zeitschlitz (Z5S1) ein Nachbarschaftshilfesignal sendet, das von mindestens einer weiteren vorbestimmten zweiten Nebenstation (S2) ausgewertet wird, und

- diese zweite Nebenstation (S2) die darin enthaltenen Informationen im ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfe-Zeitschlitz (Z5S2) an die Hauptstation sendet, wobei vorzugsweise
die zweite Nebenstation (S2) auch ein Alarmsignal der ersten Nebenstation (S1) auswertet und die darin enthaltenen Informationen im ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfe-Zeitschlitz (Z5S2) an die Hauptstation (M1) sendet, wobei vorzugsweise
die erste Nebenstation (S1) bei einer fehlgeschlagenen Überprüfung des Systemzustands einen Ausfall der Kommunikation mit der Hauptstation (M1) feststellt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 8 - 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen zwei Routinesignalzeitschlitzen ein Störungsfall-Zeitschlitz vorgesehen ist, in dem die Hauptstation (M1) zum Senden eines Befehlssignals berechtigt ist, das an alle Nebenstationen (S1, S2, Sn) oder mindestens eine vorbestimmte Nebenstation gerichtet ist, wobei vorzugsweise
- bei Ausfall der Kommunikation zwischen einer ersten Nebenstation (S1) und der Hauptstation (M1) letztere ein Befehlssignal sendet, das von mindestens einer vorbestimmten zweiten Nebenstation (S2) ausgewertet wird, und

- diese zweite Nebenstation (S2) die darin enthaltenen Informationen im ihr zugeordneten Nachbarschaftshilfe-Zeitschlitz an die erste Nebenstation (S1) sendet.
Gefahrenmeldesystem zur Funkübertragung von Melderdaten,
- aufweisend eine Hauptstation (M1) und eine oder mehrere ihr zugeordnete, über Funk mit der Hauptstation (M1) verbundene Nebenstationen (S1 S2, Sn), bei dem an die Hauptstation Melderdaten sowie die Nebenstationen identifizierende Adressen übermittelt werden, wobei

- die Nebenstationen (S1, S2, Sn), insbesondere alle Nebenstationen, und die Hauptstation (M1) vollduplex-fähig sind, und
das Gefahrenmeldesystem so ausgebildet ist, dass nacheinander eine Routineüberprüfung des Systemzustands jeder Nebenstation durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gefahrenmeldesystem weiterhin so ausgebildet ist, dass bei der Routineüberprüfung einer jeden Nebenstation die jeweilige Nebenstation in einem zugeordneten Routinesignalzeitschlitz an die Hauptstation ein Nebenstations-Routinesignal auf einem ersten Kanal sendet und gleichzeitig die Hauptstation ein Hauptstations-Routinesignal an die jeweilige Nebenstation auf einem zweiten Kanal sendet.
Gefahrenmeldesystem nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nebenstationen (S1, S2, Sn) und die Hauptstation (M1) jeweils mindestens zwei, zumindest halbduplex-fähige Transceiver aufweisen, die als Sender und/oder als Empfänger fungieren, und/oder
die Nebenstationen (S1, S2, Sn) und/oder die Hauptstation (M1) frequenz-duplex-fähig sind.
Gefahrenmeldesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nebenstationen (S1, S2, Sn) und/oder die Hauptstation (M1) jeweils mindestens eine Antenne aufweisen, wobei die Antenne eine veränderbare Induktivität wie z.B. einen Gyrator und/oder eine veränderbare Kapazität wie z.B. eine Varaktordiode aufweist, mittels derer die Resonanzkurve der Antenne anpassbar ist, und/oder
die Nebenstationen (S1, S2, Sn) jeweils mindestens einen Melder umfassen und/oder mit einem Zustandsmelder verbindbar sind, wobei der Melder mindestens einen Sensor umfasst.
Zentrale Gefahrenmeldeanlage aufweisend mindestens ein Gefahrenmeldesystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und eine übergeordnete Zentrale, wie eine Brandmeldezentrale, (BMZ) deren Hauptstation mit der übergeordneten Zentrale verbunden ist, vorzugsweise über eine serielle Schnittstelle.