Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung der Kommunikation bei Systemen mit energieautarken Teilnehmern, insbesondere bei drahtlos vernetzten Systemen oder von Systemen oder Systemteilen ohne Netzversorgung oder mit geringen, dem Bussystem zu entnehmenden Energiemengen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Teilnehmern – physikalisch Geräten – derartiger Systeme handelt es sich oft um funkgesteuerte, batterie- oder umgebungsenergieversorgte Sensoren oder Aktoren oder um Geräte an einem verdrahteten Bussystem (Kupferleiter oder Glasfaserleitung), wie z.B. einem Installationsbus, wo nur geringe Energiemengen pro Teilnehmer dem Netz entnommen werden dürfen und die eine Gerätebereitschaft aufweisen.

Aus der Konsumer-Elektronik, der Gebäudesystemtechnik und anderen Technologien sind eine Vielzahl von Geräten bekannt, wie z.B. Fernseh- und Phonogeräte, diverse Abspielgeräte, Bewegungsmelder, Geräte der Sicherheitstechnik, etc., die bei nicht aktivem Betrieb in einer Gerätebereitschaft – einem 'Schlaf-Zustand, -Modus, Sleep mode' – verweilen, bis sie durch ein internes oder externes Kommando wieder in den Aktiv-Zustand treten. Ein internes Kommando kann ein abgefragter Zählerstand oder ein erreichter Temperaturzustand o.ä. sein, welches das entsprechende Gerät veranlaßt, wieder aktiv zu werden, um z.B. ein Zustands-Telegramm zu senden. Ein externes Kommando kann z.B. durch den Tastendruck an einer Fernbedienung veranlaßt sein.

Diese Geräte werden vorwiegend – je nach Anwendungsgebiet – direkt am Versorgungsnetz oder indirekt über ein Netzgerät unterbrechungsfrei versorgt. Bekannt ist weiterhin, daß auch beim Schlaf-Zustand der Geräte noch Ströme im mA (Milli-Ampere) -Bereich fließen und – je nach Spannungshöhe – einiges an Energie dem Netz entnehmen.

Bei akkumulator- oder batteriegespeisten Geräten wird besonderer Wert auf Schaltungen gelegt, die zwecks Gerätebereitschaft einen energiereduzierten Schlaf-Zustand aufweisen, um einen schonenden und umweltverträglichen Umgang mit Batterien zu gewährleisten und die oft aufwendigen Batteriewechsel zu reduzieren.

In der Meß-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie in der Gebäudesystemtechnik werden Geräte nach ihrer Funktionalität in abfragende/zustandsübermittelnde Geräte, wie Sensoren, und ausführende Geräte, wie Aktoren, klassifiziert. Aktoren sind anwendungsbedingt weitestgehend mit einer Netzversorgung beaufschlagt. Die Geräte sind heute überwiegend mit einer Schnittstelle zu einem Kommunikationssystem ausgerüstet und werden übertragungsmäßig in sendende, empfangende und sendende und empfangende Geräte eingeteilt, d.h. sie enthalten hin zum Übertragungsmedium einen Sender/Transmitter oder einen Empfänger/Receiver oder einen Sender-Empfänger/Trans[mitter-Re]ceiver.

Teilnehmer an einem Bus bestehen aus den busabhängigen Teilen mechanische und elektrische Ankopplung und der Übertragungssteuerung sowie der busunabhängigen Anwenderfunktion. Die Ankopplungseinheit stellt die mechanische und elektrische Anpassung an das Übertragungsmedium sicher; die Übertragungssteuerung stellt die logische Schnittstelle zwischen dem Busteilnehmer und dem Bus dar und führt alle Steuerungsabläufe durch, wie Nachrichten vom Bus aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten oder selbst Übertragungen über den Bus zu weiteren Teilnehmern durchführen.

Um Kollisionen bei gleichzeitigen Kommunikationswünschen von Busteilnehmern zu vermeiden, wird das Übertragungsmedium zeitlich gestaffelt den Teilnehmern zur Verfügung gestellt nach dem Zeitmultiplexverfahren mit einer Zuteilung nach festem Zeitraster oder nach dem ökonomisch sinnvolleren bedarfsabhängigen Zuteilungsverfahren. Wurde einem übertragungswünschenden Teilnehmer der Bus zugeteilt, wird dieser Teilnehmer für die Zuteilungszeit Master am Bus. Es gibt nur einen Master am Bus; mit dem Mastertransfer wird ein anderer Teilnehmer Master. Die Teilnehmer, die vom steuernden Master angesprochen werden, werden als Slave bezeichnet; die Kommunikationsbeziehung wird auch Master/Slave-Beziehung genannt.

Zu ergänzen ist noch die Richtung des Datentransfers bezogen auf die steuernde Einheit, den Master; es gibt sowohl lesende als auch schreibende Zugriffe. Bei der Schreiboperation werden die Daten vom Master auf den Bus gesendet; der Master ist Talker, der Slave ist Listener. Bei der Leseoperation kehren sich die Verhältnisse um, der Master ist Listener, der Slave ist Talker (Lit.: Georg Färber, Bussysteme, Oldenbourg, München).

Hoch (230 VAC/50 Hz)- und/oder niederspannungsversorgte (24 ... 3 VDC, etc.) sendende Sensoren und empfangende Aktoren sind nicht Gegenstand der weiteren Betrachtung, wie auch busversorgte und/oder batteriegespeiste Geräte.

In einer neuen Klasse von Anwendungen in Automobil-, Gebäude-, Medizin-, Produktions- und Transporttechnik sind Geräte bekannt geworden, die ihre Energie aus der Energie ihrer unmittelbaren Umgebung, wie durch Kraft, Vibration, Licht, Wärme, Druck, etc., beziehen. Beispielhaft sei hier ein batterieloser, wartungsfreier Funksensor, Funkschalter für Licht und Jalousie, mit Energiewandlung und -speicherung, Mikrokontroller, Meßfühler, Zeitsteuerung und HF (Hochfrequenz)-Sender genannt, der seine Energie durch den betätigenden Tastendruck mittels Piezoeffekt – Piezoelektrizität einer Quarzplatte – erzeugt (Lit.: Armin Anders, EnOcean, Funktechnik ohne Batterien, Oberhaching).

Sämtliche Energieverbräuche derartiger Geräte sind auf das absolute Minimum reduziert. Jedoch besteht auch hier für Geräte die Forderung nach einer Geräte-Dauerbereitschaft in Form eines Schlaf-Zustands. Zu diesem Zweck werden die Geräte – abhängig von den Energieverbräuchen – z.B. mit einer Solarzelle ausgerüstet, die einen Akkumulator oder einen Speicherkondensator als elektrischen Zwischenspeicher auflädt.

Während Sensor-Gerate zyklisch oder werte- oder zustandsgesteuert kommunizieren und somit einen nur geringen Stromverbrauch für die Gerätebereitschaft benötigen, weisen Zentraleinheiten und Aktoren eine Geräte-Dauerbereitschaft auf, die energieträchtig ist.

Bus- und insbesondere funkbusgesteuerte energieautarke Aktor-Geräte stellen keine Energie für die Geräte-Dauerbereitschaft zur Verfügung.

Im folgenden wird der Stand der Technik bezogen auf die Kommunikation energieautarker Systeme gewürdigt.

Nach dem Stand der Technik, deutsche Patentanmeldung DE 10 2006 026 417, wird ein bus- auch funkbusgesteuerter Heizkörperstellantrieb vorgestellt, dessen auf das Heizkörperventil wirkender Antrieb aus einem elektrochemischen Aktor, die Energiespeicherung aus einem Akkumulator oder Speicherkondensator und die Energieerzeugung aus einer verstell- und ausrichtbaren Solarzelle besteht. Es ist vorgesehen, daß die Energieversorgung des Geräts autark erfolgt. Die mechanische Ventilverstellung erfolgt über den sich – indirekt über den Akkumulator und die Solarzelle – auf- oder entladenden Aktor.

Weiterhin enthält das Gerät eine bidirektionale Funkschnittstelle, Transceiver, die die Kommunikation mit einem Raumkontroller aufrechterhält, der wiederum die Raumtemperaturwerte sensorisch abfragt und aus Differenztemperaturwerten Verstellkommandos für die Ventilsteuerung ableitet.

Die Beschreibung der Kommunikationsschnittstelle sowie die Gerätebereitschaft werden nicht vertieft dargestellt.

Gemäß der deutschen Offenlegung DE 197 24 769 wird ein energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung vorgestellt. Ziel der Applikation ist die Erkennung unerwünschter Wärmeentstehung, wie z.B. in Lagern, Anlagen oder Fabrikationseinrichtungen, zwecks Vermeidung von erheblichen Folgeschäden. Die Detektion der Wärmeentstehung erfolgt durch einen Niederleistungs-Thermogenerator, der thermische direkt in elektrische Energie umwandelt. Sobald im Rahmen einer Havarie Wärme und damit elektrische Energie entsteht, wird die Folgeelektronik mit Funksender aktiviert, der Informationen über den Schadenfall an den Empfänger übermittelt.

Eine stromlose Gerätebereitschaft ist durch den Thermogenerator gegeben, der auf Grund einer anliegenden Temperaturdifferenz wie ein Schalter mit Spannungsversorgung arbeitet.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 53 278 offenbart eine Reifenmessung mit einem energieautark modulierten Backscatter-Transponder, um Reifenparameter für die Berechnung der Fahrdynamik, wie z.B. Reifendruck, Temperatur und Reifen/Fahrbahn-Kraftschluß, zu übertragen. Beim rollierenden Reifen ergeben sich wandelbare Energieformen durch Vibrations-, Schall- und/oder Ultraschallsignale sowie mechanische Kräfte und Verformungen durch die Drehbewegung des Rads, die zur Messung und/oder zur Funk-Datenübertragung von Meßgrößen genutzt wird. Mittels eines Schall- bzw. Piezowandlers wird die akustische bzw. mechanische Energie in ein elektrisches Wechselsignal gewandelt zwecks Betreiben von Sensoren, die ihren Zustand bzw. Zustandsänderungen per Funk übermitteln.

Die internationale Anmeldung WO 2004 21 509/deutsche Offenlegungsschrift DE 102 39 303 beschreiben die Offenbarung des energieautark modulierten Backscatter-Transponders für allgemeine Anwendungen.

Die internationale Anmeldung WO 2005 107 179/deutsche Offenlegung DE 10 2004 021 385 bezieht sich auf ein Datenkommunikationsnetzwerk mit einer Mehrzahl von Netzknoten, die jeweils einen oder mehrere Kommunikations-Ports und eine Knoten-Identifikation aufweisen und darauf angelegt sind, Verbindungen untereinander dezentral zu verwalten und Datenpakete zu übertragen, wobei die Datenpakete eine Header-Information über die Knoten-Identifikation des paketerzeugenden Netzknotens enthalten.

Restriktionen, wie beim Erfindungsgegenstand vorliegend, sind hier nicht gegeben.

In der europäischen Patentschrift EP 808 488/deutsche Patentschrift DE 696 22 844 wird eine Kommunikationsmanagement-Vorrichtung und -verfahren und Telekommunikationssystem mit einer Managementvorrichtung beschrieben. Es handelt sich hierbei um die Beschreibung eines umfangreichen Telekommunikationssystems aus steuernden und gesteuerten Systemen.

Eine auch nur nahe Verwandtschaft zu dem vorliegenden Problem scheidet aus.

Gemäß der europäischen Schrift EP 709 994/deutsche Patentanmeldung DE 695 24 922 wird ein Kommunikationsmanagement zwischen Client- und Server-Prozessen offenbart. Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Netzkommunikationen und insbesondere auf ein Verfahren, um auf effiziente Art und Weise Remote Control Procedure Calls zwischen Client- und Server-Prozessen in einem Computernetzwerk zu verwalten, wenn diese Prozesse auf demselben Host unterstützt werden. Vorgestellt wird ein Verfahren, um die Kommunikation zwischen einem Client- und einem Server-Prozeß in einer verteilten Computerumgebung nach dem 7-Ebenen-Modell zu verwalten.

In der internationalen Applikation WO 2002 21 812/europäische Anmeldung EP 1 316 198 wird ein kundenorientiertes Kommunikationsmanagement für die gemeinsame Nutzung einer Telefon-Vermittlungsstelle offenbart.

Auch hier wird ein Zusammenhang zu der oben beschriebenen Problematik nicht deutlich.

Die vorgestellten Applikationsbeispiele eignen sich nicht oder nur bedingt als Lösung für die Geräte-Dauerbereitschaft von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die Geräte-Dauerbereitschaft von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten unter Vernachlässigung obiger Nachteile zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Figuren und nehmen die Unteransprüche Bezug.

Ziel ist die Schaffung eines Verfahrens und der Aufbau einer Einrichtung für die Geräte-Dauerbereitschaft von bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Aktor-Geräten, die bei möglichst universellem Einsatz und vorgesehenem Verwendungszweck mit einem minimalen Aufwand an Mechanik und Teilen auskommen und mit oben beschriebenen Vorteilen eines solchen Aktors ausgestattet sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher vorgeschlagen, ein neues Kommunikationsmanagement für Aktor-Geräte einzuführen und die Geräte-Dauerbereitschaft bus- und insbesondere funkbusgesteuerter energieautarker Aktor-Geräte auf andere angeschlossene Teilnehmer des Bussystems zu verteilen. Auf Grund des neuen Kommunikationsmanagements entfällt der stromzehrende Unterhalt der Warteschleife, des Schlaf-Zustands.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigt den systematischen Aufbau und das Zusammenwirken des Kommunikationsmanagements

1 von Sensor und Aktor in allgemeiner Darstellung

2 von Sensor und Aktor in anwendungsorientierter Darstellung

3 von energieautarkem Aktor-Gerät und Zentraleinheit.

Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen bzw. -namen versehen.

1 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau und die Ablaufsteuerung einer Sensor-/Aktor-Schnittstellenverbindung. Der Sensor und der Aktor haben – bezogen auf das Bussystem bzw. das Übertragungssystem – je einen Sender und Empfänger. Beide Geräte sind mit einer Kommunikationsschnittstelle zum Übertragungssystem ausgerüstet. Beide Geräte – Sensor und Aktor – werden elektrisch fremd versorgt.

Es wird angenommen, daß beide Geräte sich in Dauerbereitschaft befinden. Je nach Aufgabenstellung und Funktion des Sensors – Druck-, Helligkeits-, Temperaturüberwachung, Feuchte-, Niveauregelung, Alarmierung, etc. – und Aufbau des Sensors, sendet dieser zyklisch oder nur bei eingestellter differentieller Änderung Meßsignale (Masterfunktion, Talker) an den Aktor (Slave, Listener). Dies erfolgt durch Senden eines Übergabe-/Anforderungssignals an den Aktor. Beim nächsten freien Zeitfenster des Aktors fragt dieser das Signal an der Schnittstellenverbindung ab. Der Aktor bereitet eine Datenübernahme vor – schaltet die Wege zum Speicher frei – und signalisiert dies der Sensorschnittstelle via Fertigmeldesignal. Die Datenübertragung der Meßsignale des Sensors finden statt.

In einer weiteren Version ist es auch möglich, daß der Aktor nach Freischalten des Datenflusses den Datentransfer des Sensors überträgt und übernimmt. Nach erfolgreicher Übernahme durch Prüfung oder wiederholter Sendung im Fehlerfall sendet der Aktor ein Fertigmeldesignal an den Sensor und gibt die Schnittstellenverbindung wieder frei. Diese Ablauforganisation findet bei Bussen statt, bei denen der Master nur Talker sein kann. Zur Durchführung von Lese-Operationen überträgt der Master (Aktor) eine Leseanforderung an den Slave (Sensor). Dieser Slave fordert den Bus an, wird Master und schreibt die gewünschten Daten an den ehemaligen Master, jetzt Slave (Aktor).

Prinzipiell befinden sich beide Geräte in einer Geräte-Dauerbereitschaft, beide Geräte werden extern elektrisch versorgt; üblicherweise teilt der Sensor die Änderung seiner Meßwerte durch eine Anforderung dem Aktor mit.

Bild 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensor-/Aktor-Schnittstellenkommunikation nach obigem Wirkschema. Der Sensor verfügt über einen Sender; der Aktor über eine Sende- und Empfangseinrichtung. Beide Geräte befinden sich in einer Dauerbereitschaft; beide Geräte werden extern elektrisch versorgt.

Das vorgestellte Prinzip arbeitet wie folgt. Der Aktor sendet zyklisch einen kurzen Abfrage-, Sende- oder Synchronisationsimpuls an die Schnittstelleneinrichtung des Sensor-Geräts zum Zwecke der Synchronisation, d.h. der Aktor signalisiert die Bereitschaft zur Datenaufnahme (Master, Listener). Der Sensor (Slave, Talker) erfaßt den Synchronisationsimpuls und leitet daraufhin die Übergabe der Information – den Datentransfer – innerhalb eines Zeitfensters nach der Synchronisation an den Aktor ein.

Prinzipiell befinden sich beide Geräte in einer Geräte-Dauerbereitschaft, beide Geräte werden extern elektrisch versorgt; die Anforderung zum Datentransfer erfolgt zyklisch vom Aktor ausgehend. Bei zeitlich schnell ablaufenden Vorgängen erhöht sich entsprechend die Abfragerate. Ist das Übertragungsmedium eine Funkstrecke muß die Energie über den Aktor bereitgestellt werden.

3 zeigt den systematischen Aufbau und das Zusammenwirken des Kommunikationsmanagements von bus- und insbesondere funkbusgesteuertem energieautarken Geräte-Aktor und Zentraleinheit. Die Zentraleinheit besitzt ein dem Übertragungsmedium angepaßten Sender und Empfänger. Die Zentraleinheit wird elektrisch fremd versorgt und befindet sich in Geräte-Dauerbereitschaft. Es wird weiterhin vorausgeschickt, daß die Zentraleinheit von einem angeschlossenen Sensor Meßdaten erhält.

Der Energieverbrauch des energieautarken Aktors ist auf minimalen Energieverbrauch eingerichtet und kann daher nicht mit einer Warteschleife für den Schlaf-Zustand ausgestattet sein. Vor allem könnte der Energieaufwand im Fall des Funkbusbetriebs beim energieautarken Aktor nicht bereitgestellt werden.

Daher wird für den bus- und insbesondere funkbusgesteuerten energieautarken Geräte-Aktor vorgeschlagen, den Aktor (Master, Listener) dahingehend zu befähigen, im Fall einer anstehenden Meßwertübertragung selbst einen kurzen Sende- und Abfrageimpuls zum Empfänger zu senden – hier die Zentraleinheit (Slave, Talker). Der Sende- und Abfrageimpuls dient der Synchronisation, daß innerhalb eines Zeitfensters nach der Synchronisation die Übernahme der Information von der Zentraleinheit stattfindet. Der Datentransfer kann dann wiederum vor und/oder nach der Sendung durch ein Freigabesignal seitens der Zentraleinheit abgeschlossen werden.

Eine Ausprägungsform der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Kommunikationsabläufe – wie sie zuvor von einem Sensor wahrgenommen werden – hier auf den Aktor übertragen werden. Der Aktor mit seinen ausführenden Funktionen holt sich seinen nächsten Arbeitsauftrag von der Zentraleinheit nach Synchronisation; aus der 'Bring'-Funktionalität wird die 'Hol'-Funktion.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß für die Sendung eines Sende- und Abfrageimpulses bzw. die Übertragung eines Meßwerts Konditionen gestellt werden. Je nach Applikation kann die Abfrage eines Meß- oder Einstellwerts für den Aktor zeitlich an der Aufgabenstellung ausgerichtet werden. Dem Vorteil der Energieeinsparung steht ein nur geringer Nachteil an Flexibilität gegenüber, der jedoch bei zeitlich trägen Abläufen nicht von Bedeutung ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Abfragehäufigkeit und die Abfragedauer – neben dem Anwendungsprofil des Aktors – in Abhängigkeit des Energiehaushalts des Aktors gestaltet ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das vorgestellte Verfahren an kein Übertragungssystem gebunden; es kann sowohl bei bedrahteten Bussystemen – wo die Energieentnahme begrenzt ist – wie auch bei Funk-Bussystemen oder Lichtleiternetzen – wo aus dem Netz überhaupt keine Energie zur Verfügung steht – eingesetzt werden.

Die vorgestellte erfinderische Neuheit ist an keine Protokollstruktur des Übertragungssystems gebunden; die Übertragungszeit sollte minimal sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.