Intelligente Steuerungslösungen für Gebäude

Das ressourcen- und energieeffiziente Umgebungsmanagement für Gebäude weckt immer mehr Interesse. Strenge gesetzliche Restriktionen und ein zunehmendes Bewusstsein für die knapper werdenden natürlichen Ressourcen sorgen dafür, dass immer mehr Verbraucher intelligente und miteinander vernetzte Umgebungssteuerungssysteme installieren lassen. Solche Systeme kombinieren die Kontrolle von Temperatur und Luftqualität, um das Wohlbefinden und die Produktivität der Menschen, die sich in diesen Gebäuden aufhalten, zu verbessern.

In Deutschland macht beispielsweise die zum Beheizen von Gebäuden aufgewendete Energie einen erheblichen Anteil am gesamten Energieverbrauch aus (Bild 1). Ein intelligentes Sensornetzwerk, das in einem Gebäude Sensordaten von verschiedenen Stellen empfängt, kann diese Daten zur Optimierung des Energieverbrauchs nutzen. Sind die Daten einmal erfasst, lassen sich durch dynamische und statische Aufbereitung sowie durch einen Abgleich mit externen Wetterdaten aussagekräftige Informationen generieren. Diese geben Auskunft darüber, wie die Temperatur eines Gebäudes in den kommenden Stunden oder Tagen zu regeln ist.

Bild 1: Gesamt-Energieverbrauch in Deutschland 2015. BMWI

Zum Beispiel kann das System Luft zwischen der warmen und der kühleren Seite eines Gebäudes austauschen, anstatt die Klimaanlage oder die Heizung zu aktivieren. Ebenso lassen sich die niedrigeren Frühtemperaturen zum Abkühlen des Gebäudes als Vorbereitung auf erwartete hohe Nachmittagstemperaturen nutzen. Diese Methode spart nicht nur Energie, sondern wirkt auch einer durch die trocknende Wirkung der Klimaanlage entstehenden zu geringen Luftfeuchtigkeit entgegen. Nimmt man zusätzlich Sensordaten aus weiteren Regelkreisen hinein, lassen sich auch Rollläden oder Jalousien steuern, um das Sonnenlicht zum Aufheizen eines Gebäudes zu nutzen.

Zonencontroller sind wichtige Komponenten für das Management eines Systems aus Sensoren, Aktoren und Steuerungslogik. Sie helfen bei der Zentralisierung der Kommunikation zwischen dem auf das ganze Gebäude verteilten Sensornetzwerk und dem Gebäudemanagement-Servicesystem. Der Mikrocontroller, den man in einem Zonencontroller üblicherweise vorfindet, muss eine Reihe von Kommunikationsschnittstellen aufweisen, damit die Sensoren und Aktoren des Systems die Möglichkeit haben, ihre Daten mit unterschiedlichen Konnektivitätsprotokollen zu übertragen (Bild 2). Für die Kommunikation mit dem Gebäudemanagement-Servicesystem bietet ein High-Speed-Netzwerk auf der Basis von Ethernet oder mit Ethernet-basierten Schnittstellen einen hohen Durchsatz und geringe Latenzzeiten zur Übertragung der Datenpakete.

Bild 2: Ein Zonencontroller bündelt die Daten und steuert ein Netzwerk aus Sensoren und Aktoren. Texas Instruments

Die an einen Zonencontroller angeschlossenen Sensoren können Daten über die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, den Luftdruck und die Windgeschwindigkeit liefern, während Aktoren für die Betätigung von Heizkörpern, Klimaanlagen, Wasserpumpen, Rollladenmotoren und vieles mehr benötigt werden. Infolge dieser Vielfalt verlangt ein Zonencontroller nach einem weiten Spektrum von Kommunikationsschnittstellen.

Sensoren lassen sich außerdem direkt an den integrierten A/D-Wandler (ADC) des Mikrocontrollers anschließen, der dann die Erfassung der Sensor-Messwerte übernimmt. Werden mehr Funktionen einer Zonencontroller-Applikation in den Mikrocontroller verlagert, verringert sich sowohl die Leiterplattenfläche als auch die Komplexität der Zonencontroller-Hardware, was letztendlich zu geringeren Produktionskosten führt.

Es gibt eine ganze Reihe weiterer Möglichkeiten zur Integration von Funktionen in einen Mikrocontroller – beispielsweise in Form eines Ethernet-PHY (Physical Layer). Bild 3 gibt das Blockschaltbild eines Mikrocontrollers mit den oben skizzierten Fähigkeiten wieder.

Potenzielle Kommunikationsschnittstellen finden Sie auf der nächsten Seite.

Mögliche Kommunikationsschnittstellen

In solchen Zonencontroller-Anwendungen finden verschiedene Kommunikationsschnittstellen Verwendung. Zudem stellen sie hohe Anforderungen an Hardware, Software und den Datendurchsatz:

Bild 3: Blockschaltbild eines Mikrocontrollers mit einer großen Vielfalt an Kommunikations-Schnittstellen. Texas Instruments

• Ethernet – Per Ethernet erfolgt die Kommunikation mit der Steuerzentrale eines Gebäudes oder auch eines ganzen Gebäude Ein Kommunikationskanal mit der für Ethernet typischen hohen Geschwindigkeit ist erforderlich, um die notwendige Bandbreite für die recht hohe Datendichte bereitzustellen. Besonders im Verbund mit dem Precision Time Protocol (IEEE 1588) kann ein Ethernet-Kommunikationskanal Informationen aus unterschiedlichen Knoten mithilfe von Zeitstempeln synchronisieren.
• Controller Area Network (CAN) – Obwohl ursprünglich für den Automobilsektor spezifiziert, verwenden inzwischen viele Designer diese Multi-Master-fähige serielle Schnittstelle auch in Anwendungen der Industrie- und Gebäudeautomation. Der große Vorteil ist, dass nur zwei Datenleitungen nötig sind, dass das Protokoll fehlertolerant ist und dass die Kommunikation über große Distanzen möglich ist. All dies macht CAN zu einem attraktiven Protokoll für die Kommunikation zwischen Zonencontrollern und ihren Sensoren und Aktoren.
• Quad SPI – QSPI ist eine Erweiterung der SPI-Schnittstelle mit vier Datenleitungen und einem stärker regulierten Protokoll. Dieses Interface gestattet einen recht hohen Datendurchsatz im zweistelligen MBit/s-Bereich. Designer nutzen QSPI für Verbindungen mit externem Speicher, wofür nur wenige I/O-Leitungen am Mikrocontroller notwendig sind. Der Anschluss größerer Speicher an den Zonencontroller mithilfe dieser Schnittstelle erlaubt dem Controller das Abspeichern von Daten für Webseiten und Bilder, schafft aber auch die Möglichkeit zur Datenaufzeichnung in einem Umfang, der weit über das Fassungsvermögen des internen Speichers hinausgeht.
• Serial Peripheral Interface (SPI) – SPI ist eine schnelle Schnittstelle mit nur drei Signalleitungen und einem zusätzlichen Enable-Signal pro Slave. Dieses Interface bietet sich für kurze Kommunikationswege an, wenn sich alle an den Bus angeschlossenen Bauelemente auf derselben Leiterplatte befinden.
• RS-485 – RS-485 ist identisch mit UART, lässt aber größere Entfernungen zwischen den Komponenten zu und unterstützt den Anschluss mehrerer Geräte an den RS-485-Bus.
• Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) – Diese einfach zu implementierende, klassische Schnittstelle verwenden Entwickler häufig für Debugging-Zwecke, eignet sich aber ebenso für den Anschluss einfacher Sensoren. Einige Designer nutzen UART auch als Datenkanal zwischen zwei Controllern. Die Stärke dieser Schnittstelle liegt in ihrem geringen Bedarf an Hard- und Software-Ressourcen. Da UART ausschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen unterstützt, kann dieses Interface nur für die Kommunikation zwischen zwei Komponenten je Hardwareinstanz verwendet werden.

Leitungsgebundene Gebäudeautomations-Protokolle beruhen üblicherweise auf seriellen Schnittstellen wie RS-485 oder Ethernet, wenn höhere Datenraten gefragt sind. Zu den bedeutendsten Protokollen zählen:

Bild 4: Implementierung von Softwareschichten zum Abstrahieren der Hardware. Texas Instruments

• Bacnet – Bacnet ist ein offener Gebäudeautomations-, Steuerungs- und Kommunikationsstandard, den die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) schuf und noch immer kontrolliert. Inzwischen ist Bacnet unter der Nummer ISO 16484-5 international genormt.
• Lonmark – Lonmark ist ein auf dem proprietären Kommunikationsprotokoll Lontalk basierender Standard, der eine Reihe von Regeln zur Koordination der Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten festlegt. Lonworks definiert den Inhalt und die Struktur der ausgetauschten Informationen. Ebenso wie Bacnet wurde auch Lonworks von internationalen Normungsorganisationen übernommen und als ANSI/CEA 709.1 und IEEE 1473-L genormt.
• Modbus – Modbus als wahrhaft offener Standard gehört zu den meistverwendeten Protokollen in industriellen Fertigungsumgebungen. Seine Messaging-Struktur richtet eine Master/Slave- und Client/Server-Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten ein.

Um Entwicklern die schnelle Integration dieser enormen Vielzahl an Kommunikations-Schnittstellen zu ermöglichen, bedarf es eines sorgfältig entwickelten Treiber-Stacks, der die Hardwareschicht für die Anwendungsschicht abstrahiert, wie in Bild 4 gezeigt. Softwareentwickler können sich dann direkt auf die Protokollschicht konzentrieren, ohne sich detailliert mit der Hardware-Implementierung auseinanderzusetzen.

Möglicherweise müssen auch Protokoll- und Kommunikations-Standards wie Bluetooth Low Energy, Zigbee oder Wi-Fi zum Interface-Portfolio eines Zonencontrollers gehören, wenn zusätzliche Zugriffsoptionen auf drahtlose Netzwerke nötig sind. Zur Bereitstellung dieser Funknetzwerk-Schnittstellen und die schnelle und vollständige Integration in die Softwarearchitektur eines Zonencontrollers bedarf es eines ausgearbeiteten und zertifizierten Software-Stacks.

Das Abspeichern und Verarbeiten von Daten auf einer ausgelagerten Host-CPU (häufig auch Cloud Computing), weckt immer mehr Interesse und ist ein zentrales Merkmal der nächsten Generation dieser Applikationen. Im Streben nach einer Komplettlösung spielen auch Softwarebibliotheken eine wichtige Rolle. Die Cloud-Integration setzt allerdings nicht nur eine Verbindung mit dem Internet voraus, sondern erfordert auch eine Funktionsbibliothek mit einem gut strukturierten API (Application Programming Interface), das dem Zugriff auf die Cloud-Dienste dient und von den Mikrocontrollern im Zonencontroller unterstützt wird.

Viele komplexe Applikationen fungieren als Schnittstellen für die Kommunikation und den Datenaustausch. Ein Zonencontroller macht deutlich, wie viele Komponenten zusammenarbeiten müssen. Es ist zwingend notwendig, nicht nur über den richtigen Mikrocontroller mit Unterstützung für mehrere Protokolle zu verfügen, sondern auch über einen Treiber und eine Bibliotheksstruktur, die für eine reibungslose Zusammenarbeit der verschiedenen Schnittstellen sorgen, ohne dass es zu gegenseitigen Beeinträchtigungen kommt.

Entscheidende Bestandteile sind die Hardware-Abstraktionsschicht und die Treiber-Stacks, die in ein Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) integriert sind. Unterstützung benötigt jedoch auch die Ausdehnung auf drahtlose Protokolle. Designer, die diese Aspekte nicht berücksichtigen, müssen möglicherweise einen enormen Softwareentwicklungsaufwand oder im schlimmsten Fall ein völliges Redesign in Kauf nehmen.

(prm)