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.

Bild 1: Gesamt-Energieverbrauch in Deutschland 2015. BMWI

Eckdaten

Die gängigen Smart-Home-Anwendungen greifen auf verschiedene Sensoren, Aktoren und Steuerungslogik zurück. Damit diese reibungslos zusammenarbeiten, sind Zonencontroller zur Kommunikation zwischen Sensornetz und Gebäudemanagementsystem notwendig. Der in den Zonencontroller integrierte Mikrocontroller ist deshalb mit verschiedenen Kommunikationsschnittstellen für die Datenübertragung mit verschiedenen Kommunikationsprotokollen ausgestattet.

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.

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.

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