Funk-Bussysteme

Die Gebäudesystemtechnik kann auch über drahtlose Kommunikationsmethoden wie Funk betrieben werden, um die verschiedenen Systeme und Komponenten eines Gebäudes miteinander zu verbinden und zu steuern. Die Vorteile der Funktechnologie liegen in der flexiblen und einfachen Installation ohne aufwendige Verkabelung.

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Hauptanwendungsgebiete von Funk-Bussystemen
Grundsätzlich bieten sich Funk-Bussysteme überall dort an, wo drahtgebundene Lösungen nur mit großem Aufwand realisiert werden können. Da für funkbasierte Systeme keine Steuerleitungen verlegt werden müssen, lassen sie sich schnell und einfach realisieren und insbesondere im Bestand auch gut nachrüsten. Naheliegend ist eine Anwendung bei historisch wertvoller Bausubstanz, auf Glastrennwänden, Sichtbeton oder Sichtmauerwerk oder wenn die Bedienung sehr flexibel bleiben soll.

Probleme kann die Reichweite der Funk-Bussysteme bereiten, vor allem wenn sich die Funklösung über einen Raum hinaus auf eine ganze Etage oder gar über ein ganzes Gebäude erstrecken soll. Innerhalb von Gebäuden rechnet man mit Reichweiten von 30 bis 50 m. Diese können sich jedoch je nach Anzahl und Stärke der zu durchdringenden Wände, dem Baumaterial und Funkschatten durch Metallteile u.ä. stark verringern. Zeitgemäße Systeme nutzen daher das Mesh-Prinzip (z.B. Jung Home): Darin wirken Steckdosen, Lichtschalter oder Bewegungsmelder zugleich als Verstärker des Bluetooth-Mesh-Netzwerks. Das Signal springt dabei so lange von Knotenpunkt zu Knotenpunkt, bis es sein Ziel erreicht hat, wodurch höhere Reichweiten erreicht werden können.

Funktionsprinzip
Funk-Bussysteme funktionieren grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip wie leitungsgebundene Bussysteme – mit dem Unterschied, dass für die Datenübertragung Funkwellen (RF = Radio Frequency) genutzt werden. Ein Funk-Bussystem realisiert eine Funkübertragungsstrecke aus Sendern (Sensoren) und Empfängern (Aktoren), die sich in die Unterputzdosen von Schaltern, Steckdosen oder in Leuchten usw. integrieren lassen. Diese Sensoren und Aktoren sind mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet, die es ihnen ermöglicht, Daten über Funk zu senden und zu empfangen. Damit sind diese Elemente in das System integriert und können per App, Hand- oder Wandsender gesteuert werden.

Das System kann durch Zubehör wie Signalverstärker, Gateways, Controller oder eine Zentrale ergänzt werden. Die Sensoren (Befehlsgeber wie Taster, Fühler, Bewegungsmelder) senden per Funk Informationen an die Aktoren (Befehlsempfänger wie Lichtaktor, Jalousieaktor und Alarmsirene), die die Informationen auswerten und entsprechend schalten. Wie bei allen Bussystemen ist der Informationsaustausch auch beim Funk-Bus grundsätzlich bidirektional möglich, da jede am Bus angeschlossene Komponente mit jedem Sensor oder Aktor kommunizieren kann – vorausgesetzt, sie sind jeweils mit Sendern und Empfängern ausgestattet und entsprechend programmiert. So kann ein Sensor beispielsweise die Rückmeldung erhalten, dass der gesendete Befehl auch ausgeführt wurde. Möglich ist es auch, von einem Sensor Zentralbefehle (wie Alles aus) an alle relevanten Aktoren zu schicken.

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Energieversorgung der Funkkomponenten
Bei der Planung und Anwendung von Funkbussystemen ist die Energieversorgung der Funkkomponenten zu beachten, die auf drei Arten möglich ist:

• Drahtgebunden mit 230 V oder Kleinspannung bei fester Montage von Komponenten (z. B. in der UP-Dose oder in einer Verteilung)
• Mit Batterie oder Akku für bewegliche Taster etc. (mit dem Nachteil einer begrenzten Lebensdauer der Batterien und einem Arbeits- und Kostenaufwand für den Batteriewechsel)
• Batterielos auf Basis der EnOcean-Technologie: Hier beziehen die Sensoren ihre Sendeenergie aus Licht, Wärme oder Bewegungen in der Umgebung; Taster etwa beziehen ihre Energie aus dem mechanischen Druck auf die Tastwippe (oder elektrodynamischer Wandler). Bei Temperaturfühlern oder Bewegungsmeldern genügt eine Solarzelle zur Speisung des Miniatur-Akkus. Die Sensoren können so an nahezu jedem beliebigen Ort angebracht werden und sind wartungsfrei.

Typische herstellerunabhängige Funk-Standards

• KNX RF: Analog zum drahtgebundenen KNX-Installationsbus findet der Informationsaustausch zwischen Funk-Sensoren und Funk-Aktoren bidirektional statt, d. h. alle KNX-Funkgeräte sind sowohl mit Sendern als auch mit Empfängern ausgestattet. Geräte eines Funk-KNX-Systems arbeiten im Frequenzbereich von 868-870 MHz, der für Kurzstrecken-Funkgeräte reserviert ist und weder von Amateurfunkern noch für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen genutzt werden darf. Alle Funkelemente können durch einfache Parametrierung bei der Inbetriebnahme installiert oder in bestehende KNX-Anlagen integriert werden.
  
  
• EnOcean: Die batterielose Funsensorik wird hauptsächlich für die Überwachung und Steuerung von Haus- und Gebäudetechnik eingesetzt. Die Installation ist kosten- und zeitsparend und ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb. Sensoren und Schalter erhalten ihre Energie aus der direkten Umgebung nach dem Prinzip des Energy Harvesting: Taster etwa beziehen ihre Energie aus dem mechanischen Druck auf die Tastwippe (Piezo-Prinzip oder Elektrodynamische Wandler).
  
  
• Z-Wave-Standard: Der drahtlose Kommunikationsstandard kommt für funkbasierte Heimautomationssysteme zum Einsatz und nutzt Frequenzen zwischen 850 und 950 MHz, die entweder im ISM-Band (Industry Science Medicine) oder im SRD-Frequenzband liegen. Der Standard ist auf geringen Energieverbrauch und hohe Kommunikationssicherheit ausgelegt.
  
  
• ZigBee: Der Funkstandard wurde für drahtlose Netzwerke mit kurzen Reichweiten zwischen 10 und 100 Metern und einem relativ geringen Datenaufkommen und geringem Stromverbrauch entwickelt, z. B. für Hausautomation oder Lichttechnik. ZigBee-Geräte kommunizieren in einem speziellen ZigBee-Mesh-Netzwerk; genutzt wird ein eigenes ZigBee-Protokoll. 
  
  
• Bluetooth: Das System dient zum Datenaustausch über kurze Entfernungen zwischen Geräten, die sich durch ein einfaches Pairing miteinander verbinden, z. B. durch eine Tastatur mit einem Tablet. Der Funkstandard Bluetooth ist nur für kürzere Distanzen von etwa 0,2 bis 10 Meter geeignet (mit Bluetooth 5 sind Reichweiten bis 200 Meter möglich). Das zu Bluetooth gehörende Funkprotokoll ist das Wireless Personal Area Network (WPAN). Die Bluetooth-Microchips mit je einer Sende- und Empfangseinheit sind oft schon in die Geräte integriert. Mit Bluetooth und WLAN können Smart-Home-Komponenten komfortabel über mobile Endgeräte wie Tablets oder Smartphones gesteuert werden.
  
  
• Bluetooth LE (BLE) / Bluetooth 4.0: Bluetooth 4.0 oder Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE oder BLE) hat im Vergleich zu Bluetooth einen deutlich geringeren Energieaufwand. Dadurch können Anwendungen mit einer schwächeren Batterie über einen längeren Zeitraum betrieben werden. Der entscheidende Unterschied in der Funktionsweise besteht darin, dass BLE im Ruhezustand bleibt, solange keine Verbindung aufgebaut wird. Diese kurzen Verbindungen sind notwendig, weil die Datenübertragungsraten deutlich höher sind (1 Mb pro Sekunde). Daher ist BLE unerlässlich für Funktionen, die regelmäßig kleine Datenmengen austauschen, wie etwa bei IoT Anwendungen.
  
  
• Bluetooth Mesh ist eine erweiterte Version des Bluetooth-Standards und wurde speziell für die Vernetzung von Geräten in großen Bereichen entwickelt. Es ermöglicht die Bildung eines Mesh-Netzwerks, bei dem viele Geräte, sogenannte Knoten (nodes), miteinander verbunden sind. Jeder Knoten fungiert als Sender und Empfänger und kann Datenpakete im Netzwerk weiterleiten. Dadurch entsteht eine dezentrale Netzwerkstruktur, bei der die Geräte miteinander kommunizieren, ohne dass ein zentraler Hub oder eine Steuerungseinheit erforderlich ist.

Unterschiede zwischen Funk-Bus und klassischen Funkbedienungen
Klassische Funksysteme, die es schon vor den Funk-Bussystemen gab, basieren meist auf einer unidirektionalen Datenübertragung mit wenigen Megawatt Sendeleistung, also nur in Richtung Sender zu Empfänger. Hier kann jeder Kommunikationsteilnehmer lediglich senden, aber nicht vom Teilnehmer darüber informiert werden, ob die Nachricht auch korrekt empfangen wurde. Insofern handelt es sich bei der Funkfernbedienung nicht um ein Bussystem, auch wenn hierfür gelegentlich der Begriff Funk-Bus verwendet wird.

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