FESTO AG & Co, 73734 Esslingen
Funk-Steuerungssystem
Die Erfindung betrifft ein Funk-SteuerungsSystem mit einer wenigstens einen Funktransceiver und einen Mikrocontroller aufweisenden Basisstation und mit mehreren Sensor- /Aktormodulen, die jeweils einen mit dem wenigstens einen Funk- transceiver der Basisstation eine drahtlose Datenübertragung ermöglichenden eigenen Funktransceiver enthalten, und mit Mitteln zur Übertragung von zeitversetzten Datenblöcken (TDMA-Übertragung) .
Ein derartiges, auf der TDMA-Technologie beruhendes Funk- Steuerungssystem, das Sensoren und Aktoren aufweist, ist beispielsweise aus der DE' 101 53 462 Al bekannt. Dieses auch Zeitschlitzverfahren genannte TDMA-Datenübertragungsverfahren überträgt in einem festgelegten Zeitraster nacheinander Datenblöcke von den Teilnehmern zur Basisstation, wobei es sich bei den Teilnehmern um Sensormodule, Aktormodule oder kombinierte Module handeln kann. Der Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass bei einer sehr großen Zahl von mit der Basisstation kommunizierenden Teilnehmermodulen die Datenübertragung insgesamt immer langsamer wird, wobei sich bei einer großen Zahl von nacheinander zu übertragenden Datenblöcken auch Fehlübertragungen ereignen können, die insgesamt die Übertragungssicherheit reduzieren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Funk-SteuerungsSystem der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, das bei erhöhter Übertragungssicherheit eine schnellere Übertragungsgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäß durch ein Funk-Steuerungs- system mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Kombination der Datenübertragung mittels unterschiedlicher Frequenzen (FDMA-Verfahren) mit dem zeitversetzten Datenübertragungsverfahren (TDMA-Übertragung) bei einer wesentlich größeren Anzahl von Teilnehmern eine schnellere Datenübertra- gung möglich ist. Dabei kann je nach Anwendungsfall und jeweiligen Vorgaben ein optimaler Kompromiss zwischen einer geforderten Übertragungssicherheit und einer schnellen Datenübertragung gewählt werden, indem das eine oder das andere Verfahren stärker eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße Funk- Steuerungssystem ermöglicht eine variable Skalierbarkeit unter Einhaltung gegebener EchtZeitbedingungen. Ein Verdrahtungsaufwand enfällt praktisch vollständig, auch bei einer sehr großen Anzahl von Sensor- /Aktormodulen, wobei Änderungen des Datenübertragungsverfahrens zu einzelnen Modulen oder die Änderung der Zahl der Module kein Problem darstellt, da der Mikrocontroller in der Basisstation lediglich entsprechend umprogrammiert zu werden braucht .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im An- spruch 1 angegebenen Funk-Steuerungssystems möglich.
Zweckmäßigerweise sind alle Sensor-/Aktormodule, die jeweils mit gleicher Übertragungsfrequenz arbeiten, zur Übertragung von zeitversetzten Datenblöcken (TDMA-Übertragung) mit dieser Übertragungsfrequenz ausgebildet .
Der Mikrocontroller der Basisstation ist wenigstens zur Steuerung der Datenübertragung ausgebildet, insbesondere zur Programmierung der Datenübertragung mit hinsichtlich der Anzahl und Ausführung variabel wählbaren Sensor-/Aktormodulen. Hier- durch ist eine Optimierung des Funk-Steuerungssystems je nach den Vorgaben Übertragungsschnelligkeit und Übertragungssicherheit einfach realisierbar.
Jedes Sensor-/Aktormodul besitzt zeckmäßigerweise einen eigenen Mikrocontroller, der zur Kommunikation mit dem Mikrocont- roller der Basisstation über die Funktransceiver ausgebildet ist. Die Mikrocontroller wenigstens eines Teils der Sensor- /Aktormodule besitzen vorteilhafterweise mehrere Anschlüsse für Sensoren und/oder Aktoren, wodurch die Zahl der in das Funk-Steuerungssystem eingebundenen Sensoren und Aktoren wei- ter vergrößert werden kann.
Die Mikrocontroller der Sensor-/Aktormodule können zweckmäßigerweise über eine Schnittstelle oder über Funk von der Basisstation aus programmiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Mikrocontroller der Basisstation zur Bildung von Anforderungssignalen und/oder Steuersignalen jeweils für alle Sensor- /Aktormodule einer Übertragungsfrequenz ausgebildet, wobei der Mikrocontroller jedes dieser Sensor-/Aktormodule bei wenigstens einem angeschlossenen Aktor die Steuersignale an diesen weiterlei- tet und bei wenigstens einem angeschlossenen Sensor die Übertragung von Sensordaten in einem festen Zeitraster (TDMA- Übertragung) auslöst.
Als weiteren wichtigen Beitrag zur Vermeidung einer Verkabelung besitzt wenigstens ein Teil der Sensor- /Aktormodule eine
autarke Spannungsversorgung, insbesondere durch Solarmodule oder mechanisch-elektrische Wandler.
Die Basisstation besitzt zweckmäßigerweise ein Businterface zum Anschluss des Mikrocontrollers an einen externen Daten- bus, der insbesondere mit einer externen Steuerzentrale verbunden ist. Dabei ist prinzipiell auch eine drahtlose Busverbindung mit der externen Steuerzentrale möglich.
Vorteilhafterweise besitzt die Basisstation eine modulare Bauweise mit einer frei wählbaren Anzahl von Funktranscei- vern, um eine einfache und schnelle Anpassung auch bei sich ändernden Gegebenheiten des gesamten Funk-Steuerungssystems vornehmen zu können.
Zur Datenübertragung an unterschiedliche Gruppen von Sensor- /Aktormodulen können zweckmäßigerweise auch unterschiedlich wirkende Antennen vorgesehen sein, insbesondere Antennen mit unterschiedlicher Polarisierung. Dies trägt zur weiteren Datenübertragungssicherheit bei.
Zur Datenübertragung zwischen der Basisstation und weiter entfernten Sensor-/Aktormodulen können auch Funkzwischensta- tionen vorgesehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Basisstation, die drahtlos mit drei Gruppen von Sensor-/Aktor- modulen mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen zusammenwirkt und
Figur 2 eine detailliertere Darstellung eines Sensor- /Aktormoduls.
Die in Figur 1 dargestellte Basisstation 10 enthält einen MikroController 11 zur Steuerung und Überwachung der drahtlo- 5 sen Datenübertragung von und zu den drei Gruppen 12, 13, 14 von Sensor- /Aktormodulen 15. Hierzu ist der Mikrocontroller 11 mit drei Funktransceivern 16 bis 18 verbunden, die mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen fl, f2 und f3 arbeiten. Es kann sich dabei um kommerziell verfügbare schmalban- lo dige Funktransceiver handeln. Typische Frequenzbänder hierzu sind beispielsweise die ISM-Bänder bei 2,45 GHz und 5,8 GHz oder 315 MHz, 433 MHz und 869 MHz. Zur Übertragung sind die Funktransceiver 16 bis 18 jeweils mit Antennen 19 bis 21 versehen.
i5 Der Mikrocontroller 11 ist weiterhin mit einem Bus-Interface
22 verbunden, an das ein Datenbus 23 anschließbar ist, der den Mikrocontroller 11 mit einer externen Steuerzentrale verbindet. Von dort aus kann der Mikrocontroller 11 programmiert und parametriert werden, wobei auch Daten übertragen und ab-
20 gefragt werden können, z.B. zu Überwachungszwecken oder zur Realisierung einer übergeordneten Steuerung. Bei dem Datenbus
23 kann es sich beispielsweise um den Profibus oder den E- thernet-Bus handeln. Eine Ethernet-Schnittstelle oder generell das Bus-Interface 22 kann auch im Mikrocontroller 11 in-
25 tegriert sein. Anstelle eines leitungsgebundenen Datenbusses kann auch ein drahtloser Datenbus zur drahtlosen Datenübertragung zwischen Mikrocontroller 11 und externer Steuerzentrale vorgesehen sein.
Eine Spannungsquelle 24 versorgt die elektrischen Komponenten o in der Basisstation 10 mit der erforderlichen Betriebsspannung. Diese Spannungsquelle 24 kann an eine externe Versor-
gungsleitung 25 angeschlossen sein oder die Basisstation 10 besitzt eine autarke Spannungsversorgung, z.B. eine Solarzellenanordnung oder einen mechanisch-elektrischen Wandler, zur Umwandlung von Frequenzen, Druckschwankungen oder Bewegungen in eine elektrische Spannung.
In Figur 2 ist ein Sensor-/Aktormodul 15 detaillierter dargestellt. Je nach dem, ob ein oder mehrere Sensoren oder ein oder mehrere Aktoren angeschlossen sind, kann es sich dabei um ein reines Sensormodul, ein reines Aktormodul oder um ein gemischtes Modul handeln. In Figur 2 ist die Ausführung als gemischtes Modul dargestellt. Ein im Sensor- /Aktormodul 15 enthaltener Mikrocontroller 26 ist mit einem Aktor 27 zur Steuerung desselben und einem Sensor 28 zum Abfragen von Sensordaten verbunden. Die Zahl der angeschlossenen Aktoren bzw. Sensoren ist selbstverständlich nicht auf zwei beschränkt, sondern kann variieren. Bei zwei weiteren Eingängen 29, 30 des Mikrocontrollers 26 kann es sich beispielsweise um eine RS232 -Schnittstelle oder um einen digitalen Eingangsanschluss handeln. Hierdurch kann der Mikrocontroller 26 beispielsweise programmiert werden, wobei auch eine drahtlose Programmierung über den Mikrocontroller 11 der Basisstation 10 möglich ist.
Der Mikrocontroller 26 ist weiterhin mit einem Funktranscei- ver 31 verbunden, der mit den Funktransceivern 26, 28 identisch sein kann oder auch einen anderen Aufbau besitzen kann. Dieser Funktransceiver 31 besitzt eine Antenne 32 zur Datenkommunikation mit der Basisstation 10.
Zur autarken Strom- bzw. Spannungsversorgung besitzt das Sensor-/Aktormodul eine Solarzellenanordnung 33, die über ein Versorgungsmodul 34 mit den elektrischen Komponenten des Sen- sor-/Aktormoduls 15 verbunden ist. Dieses Versorgungsmodul 34 enthält beispielsweise eine elektrische Speicheranordnung,
z.B. einen Kondensator oder ein Akku und kann auch eine Anordnung zur Spannungsstabilisierung oder Spannungseinstellung enthalten. Alternativ hierzu kann eine autarke Spannungsversorgung auch über einen elektrisch-mechanischen Wandler er- 5 folgen, wie er in Verbindung mit der Basisstation 10 bereits erläutert wurde. Die mechanische Energie kann er beispielsweise vom Aktor 27 beziehen. Falls eine drahtgebundene Spannungsversorgung realisierbar ist, kann selbstverständlich auch eine solche an Stelle der autarken Spannungsversorgung lo treten, oder die einzelnen Sensor-/Aktormodule besitzen zum Teil eine autarke Spannungsversorgung und zum Teil eine drahtgebundene Spannungsversorgung .
Die Zahl der Gruppen 12 bis 14 von Sensor-/Aktormodulen 15 hängt selbstverständlich von der Zahl der Funktransceiver 16 i5 bis 18 in der Basisstation 10 ab, wobei diese Zahl nahezu beliebig wählbar ist. Die Basisstation 10 besitzt einen modula- ren Aufbau, so dass auch noch nachträglich Funktransceiver mit unterschiedlichen bzw. weiteren Frequenzen hinzugefügt werden können. Dabei können auch Funktransceiver mit gleichen
20 Übertragungsfrequenzen, jedoch unterschiedlich ausgelegten Antennen vorgesehen sein, z.B. Antennen mit horizontaler und vertikaler Polarisation, so dass hierdurch ebenfalls eine gleichzeitige Datenübertragung möglich ist. Die Zahl der Sensor-/Aktormodule 15 pro Gruppe ist ebenfalls frei wählbar,
2s wobei im einfachsten Falle bei hoher Übertragungssicherheit ein Funktransceiver mit nur einem Sensor-/Aktormodul 15 kommuniziert. Durch diese variable Übertragungsstruktur wird eine echtzeitfähige Skalierbarkeit erreicht, und es ist eine Optimierung je nach Erfordernis zwischen sicherer Datenüber-
30 tragung und schneller Übertragung bzw. großer Teilnehmerzahl möglich. Der Mikrocontroller 11 in der Basisstation 10 kann entsprechend programmiert bzw. umprogrammiert werden.
Die Datenübertragung von Funktransceivern 16 bis 18 mit unterschiedlichen Frequenzen oder unterschiedlich polarisierten Antennen kann gleichzeitig erfolgen im sogenannten FDMA-Ver- fahren (Frequency Division Multiple Access) . Dem gegenüber 5 erfolgt die Datenübertragung zwischen einem Funktransceiver 16 bzw. 17 bzw. 18 und einer Gruppe von Sensor- /Aktormodulen 15 gleicher Übertragungsfrequenz über das sogenannte TDMA- Verfahren (Time Division Multiple Access) . Dieses TDMA-Ver- fahren wird auch als Zeitschlitzverfahren bezeichnet und ba- lo siert auf der zeitlich nacheinander erfolgenden Übertragung von Datenpaketen in einem festen Zeitraster. Die Mikrocont- roller 26 der Sensor-/Aktormodule 15 sind entsprechend programmiert und warten auf ein Anforderungssignal seitens der Basisstation 10 um dann in einem bestimmten Zeitfenster Daten i5 zur Basisstation zu übertragen, beispielsweise Sensordaten. Dies kann sofort oder nach gestaffelten Zeitintervallen erfolgen, wobei jedes Sensor-/Aktormodul 15 einer Gruppe auf ein anderes Zeitintervall festgelegt ist. Die Steuerdaten für die angeschlossenen Aktoren 27 werden von der Basisstation 10
20 innerhalb einer Gruppe entweder gleichzeitig abgesandt, wobei jedes Sensor- /Aktormodul 15 eine entsprechende Kennung besitzt, die das empfangene Steuersignal als zutreffend identifiziert oder als nichtrelevant oder die Übertragung erfolgt ebenfalls in Zeitrasterintervallen.
25 Durch die Adaptierbarkeit des Funk-Steuerungssystems an spezifische Applikationserfordernisse in Verbindung mit dem mo- dularen Prinzip hat der Anwender die Möglichkeit, die Anzahl der Gruppen 12 bis 14 und die Anzahl der Sensor-/Aktormodule 15 pro Gruppe frei zu wählen, wobei im einen Extremfall die
3o Basisstation 10 sehr viele Funktransceiver 16 bis 18 besitzt und jeder nur mit einem Sensor- /Aktormodul 15 kommuniziert, während im anderen Extremfall die Basisstation 10 nur sehr
wenige Funktransceiver 16 bis 18 besitzt und jeder derselben mit einer sehr großen Zahl von Sensor-/Aktormodulen 15 im TDMA-Verfahren kommuniziert.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mikrocontroller 11, 26 in der Basisstation 10 und in der Sensor- /Aktormodulen 15 direkt mit den Funktransceivern 16 bis 18 bzw. 31 verbunden. Dabei ist es auch möglich, dass die Funktransceiver 16 bis 18 bzw. 31 eigene Logik- und Steuerfunktionen besitzen, so dass innerhalb der Komponenten eine verteilte Logik vor- liegt.
Unter einem Funktransceiver 16 bis 18 bzw. 31 kann eine reine analoge Hochfrequenz-Signalverarbeitungseinheit mit oder ohne A/D- bzw. D/A-Wandler oder eine komplette Sende/Empfangseinheit inklusive Prozessor verstanden werden. Abstufungen hier- bei sind möglich. Hier können beispielsweise auch MIMO-Archi- tekturen zur Steigerung der Robustheit eingesetzt werden. Zum gleichen Zweck bzw. zur Steigerung der Koexistenz-Fähigkeit mit anderen Funksystemen können als Funktransceiver auch Ultra-Wideband-Technologien eingesetzt werden.
Die Funktransceiver bzw. Funktransceiver/Logik-Einheiten der Basisstation 10 können direkt nebeneinander, z.B. auf einer Hutschiene oder einer gemeinsamen Basisplatine angeordnet sein. Es ist jedoch auch eine räumlich voneinander abgesetzte Anordnung möglich. Werden sie direkt nebeneinander betrieben, so ist es günstig, wenn die Antennen 19 bis 21 einen minimalen Abstand von λ/10 haben, noch besser einen Abstand im Bereich von λ/4 bis 3λ/4, so dass Einbrüche in der Übertragung von einem Sensor-/Aktormodul 15 zu einem Funktransceiver 16 bis 18 der Basisstation 10 durch benachbarte Funktransceiver abgefangen werden können. Werden die Funktransceiver abge-
setzt voneinander betrieben, so können sie über Funk oder Kabel miteinander verbunden sein.
Bei größeren Entfernungen zwischen einem Sensor- /Aktormodul 15 und der Basisstation 10 können auch dazwischen positio- nierte Funkzwischenstationen vorgesehen sein.