Abschlussbericht EnOB: iHKV - Integrierter Heizkreisverteiler zur Effizenzsteigerung von Gebäuden mit Fußbodenheizung; Teilvorhaben: Integrierte ISM-Antenne/energieautarker Funksensor

Abstract

Das von der Hochschule Hannover bearbeitete iHKV-Teilprojekt gliedert sich in zwei Module: Die Entwicklung einer Funkkommunikation aus metallischen Gehäusen heraus sowie die Konzeption eines energieautarken Fußbodensensors mit monostatischem Transceiver. Für die Funkkommunikation aus metallischen Gehäusen wurde ein Konzept untersucht, das die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen über schlitzförmige Öffnungen im Gehäuse ermöglicht. Da metallische Gehäuse elektromagnetische Wellen abschirmen, stellt eine externe Antenne eine gängige Lösung dar. Sie erfordert jedoch konfektionierte Kabel und Stecksysteme, die bei im Mauerwerk versenkten Gehäusen nicht praktikabel sind. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein schlitzbasierter Ansatz realisiert, bei dem die Öffnungen komplementär zu einer im Gehäuse integrierten Antenne angeordnet sind. Für eine effektive Auskopplung ist eine horizontale Öffnung von mindestens einer halben Wellenlänge erforderlich; bei einer Frequenz von 868 MHz entspricht dies etwa 17,2 cm. Aufgrund der damit verbundenen Sicherheitsrisiken wurde stattdessen eine Anordnung aus elf schmalen, horizontalen Schlitzen gewählt. Diese Lösung ermöglicht eine ausreichend große abstrahlende Fläche, eine lineare vertikale Polarisation und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an den Personenschutz nach DIN EN 61032. Simulationen zeigten, dass eine einzelne große Öffnung einen Wirkungsgrad von 80,1 % und einen maximalen Gewinn von 4,2 dB erreicht. Bei elf schmalen Schlitzen sank der Wirkungsgrad auf 52 %, der Gewinn auf 3 dB. Die Optimierung der Antennenposition innerhalb des Gehäuses erhöhte den Wirkungsgrad auf bis zu 70 %, wobei eine weitere Steigerung durch Vergrößerung der Gesamtfläche möglich ist. Etwa 18 % des Verlusts resultierten aus einer Fehlanpassung des Eingangswiderstandes (73 Ω), was die Zielsetzung eines Wirkungsgrads über 80 % realistisch erscheinen lässt. Als Antenne wurde eine mäanderförmig ausgeführte, planare Inverted-F-Antenne (PIFA) gewählt, die sich besonders gut für den Frequenzbereich um 868 MHz eignet, kostengünstig, platzsparend und direkt auf der Steuerplatine integrierbar ist. Zudem ist sie für Mehrfrequenzanwendungen (z.B. 2,4 GHz für WLAN) erweiterbar und benötigt keine zusätzliche Anpassungsschaltung. Die optimale Position der Antenne wurde durch eine Parameterstudie ermittelt. Die Simulationen ergaben einen Wirkungsgrad von 85 %, einen Öffnungswinkel von ca. 60◦ und einen maximalen Gewinn von 2,6 dB. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Demonstrator gefertigt, dessen Strahlungscharakteristik durch messtechnische Überprüfung in guter Näherung bestätigt wurde. Der zweite Schwerpunkt des Projekts lag auf der Entwicklung eines energieautarken Fußbodensensors, der Temperatur- und Feuchtedaten im Boden erfasst und diese über eine 868 MHz-Funkschnittstelle an einen Transceiver sendet. Der Bauraum des Sensors ist mit maximal 60 mm ×60 mm × 30 mm begrenzt, und er verfügt über keine Batterie oder externe Stromversorgung. Stattdessen wird er vollständig aus dem Funksignal mit Energie versorgt. Die Kommunikation erfolgt über Backscatter-Modulation: Der Sensor moduliert das empfangene Trägersignal, indem er die Antennenimpedanz mittels Varaktordioden verändert. Bei anliegender Spannung wird die Energie reflektiert, und das so modulierte Signal wird vom Transceiver empfangen und ausgewertet. Zur Energieversorgung ist im Frontend ein Gleichrichter integriert, der die hochfrequente Leistung in eine Gleichspannung umwandelt. Ein anschließender Spannungskonverter sorgt für eine Transformation auf mindestens 1,8 V und speichert die Energie in einem Kondensator. Der Mikrocontroller und der Sensor werden nur aktiviert, wenn genügend Energie im Speicher vorhanden ist. Die Leistungsaufnahme der Sensorplattform ist sehr gering: Der Mikrocontroller verbraucht nur 30 μA, der SHT40-Sensor 320 μA bei Messung. Die Effizienz des Frontends beträgt 30,6 % bei einer Eingangsleistung von −15 dBm. Die Datenübertragung erfolgt mit einer Symbolrate von 6,4 kBd. Die Schaltung ist modular aufgebaut. Die Ergebnisse zeigen, dass der Sensor bei einer Eingangsleistung von −15 dBm (31,6 μW) eine zuverlässige Datenübertragung über eine Reichweite von bis zu 3 m ermöglicht. Der Transceiver ist die zentrale Sende- und Empfangseinheit, die Energie an den Sensor überträgt und gleichzeitig das rückgestreute Datensignal empfängt, demoduliert und auswertet. Er arbeitet in monostatischer Konfiguration mit einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne. Eine zentrale Herausforderung ist die Überkopplung des Sendesignals in den Empfangspfad. Um eine Übersteuerung der Empfangskomponenten zu verhindern, wurde ein verstellbares Reflexionsnetzwerk (TMN) entwickelt, das aus einem Netzwerk von vier digitalen Kondensator-ICs besteht. Das TMN reflektiert das übergekoppelte Trägersignal so, dass es destruktiv mit dem gestörten Signal im Empfangspfad interferiert. Messungen zeigen, dass die Überkopplung um durchschnittlich 40 dB reduziert werden kann. Das realisierte Transceiverboard erreicht bei einer Leistung von weniger als −10 dBm am Demodulator ein Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 20 dB, was einer Bit-Error-Rate von weniger als 0,01 % entspricht. Fazit des Projekts: Es wird gezeigt, dass selbst aus metallischen Gehäusen heraus eine zuverlässige Funkkommunikation möglich ist, wenn die Kombination aus schlitzbasierter Auskopplung und optimierter Antennenposition genutzt wird. Darüber hinaus wird ein modulares Konzept für einen energieautarken Fußbodensensor als kostengünstiges und zuverlässiges System vorgestellt, das mit der 868 MHz-Backscatter-Technologie arbeitet. Dazu gehört ein monostatischer Transceiver, der für die Energieversorgung über Funksignale und die Kommunikation mit dem Sensor zuständig ist. Die Lösung ist ideal für Anwendungen in der Gebäude- und Heizungstechnik, insbesondere in der Raum- und Heizungsüberwachung, und kann leicht in bestehende Systeme integriert werden. Auch der Einsatz in anderen Umfeldern, wie der Industrieautomation, ist durch den modularen Aufbau einfach realisierbar.