Aus RN-Wissen.de
Wechseln zu: Navigation, Suche


Recht beliebt ist die Kommunikation von Roboter und PC per Funk. Dabei beschränkt sich die Anwendung keineswegs nur auf die reine Fernsteuerung wie beim Modellbau. Über Funkmodule lassen sich auch komplexe Sensordaten, Umgebungsdaten oder sogar Bilder übertragen.

Inzwischen gibt es recht preiswerte Funkmodule mit RS232-Schnittstelle auf dem Markt. Die Anbindung an einen Controller erfolgt bei den etwas teureren Modulen sehr oft per RS232-Schnittstelle und ist selbst für Laien kein Problem. Erhebliche Unterschiede gibt es in der Reichweite. Die Reichweite wird von Frequenzband, Sendeleistung aber auch Empfindlichkeit der Module bestimmt. Sehr beliebt ist im Robotik-Bereich das ISM-Band.


Das 433 MHz ISM-Band

Das ISM-Band erstreckt sich bei 433 MHz von 433,05 bis 434,79 MHz. Es wird schon seit längerem zur kundenspezifischen Nachrichtenübertragung mit kurzen bis mittleren Reichweiten genutzt. Dies ermöglicht bei bis zu 10 mW Leistung einige 100 m Reichweite im Freifeld. Die Hersteller von Funkmodulen geben oft Reichweiten zwischen 100 und 250 Metern an, wenn das Funkmodul die volle erlaubte Leistung von 10 Milliwatt leistet. Die Reichweitenangaben hängen aber stark von der Umgebung, Störfaktoren und eventuellen Hindernissen zwischen den Funkmodulen ab. Daher sollte man bei Vergleich von Funkmodulen die Reichweitenangabe nur als groben Richtwert nehmen und nicht überschätzen. Bei gleicher Leistung, gleicher Empfindlichkeit und identischer Antenne sollten die Reichweiten auch nahezu identisch sein.

Beispiel eines beliebten ISM Funkmodules

Man sollte also vielmehr Sendeleistung und Empfindlichkeit der Transceiver vergleichen, denn nicht alle Module nutzen die maximal erlaubte Sendeleistung voll aus. Und ein Modul mit unempfindlicherem Empfänger hat eventuell selbst bei höherer Sendeleistung eine geringere Reichweite.

Wenn man bereit ist auf eine hohe Übertragungsrate zu verzichten, dann kann man mit Kanalcodierung auch bei günstigen Funkmodulen eine sehr hohe Reichweite erzielen. Mit einem mit 200m Reichweite spezifizierten Funkmodulset von Conrad konnten so z.B. über eine Entfernung von 4 km Daten zuverlässig übertragen werden.

Grundsätzlich ist die Modulationsart beim 433 Mhz Band frei wählbar, wobei in einfachen Anwendungen AM und bei höheren Anforderungen FM verwendet wird. Geräte für das 433 MHz-Band müssen als einzige Voraussetzung ein CE-Zeichen tragen. Funkmodule mit AM-Modulation sind zum Teil deutlich billiger als Module mit FM-Modulation, jedoch ist die Anfälligkeit gegenüber Störungen weit höher, was in der Regel die Reichweite drastisch reduziert. Zum Teil gibt es hier Module, die schon nach wenigen Metern (10 bis 20) keine sinvolle Datenübertragung mehr zulassen. Wenn nur die Steckdose in einem Zimmer per Funk geschaltet werden soll, dann können jedoch solche günstigen AM-Module wegen ihres Preises dennoch interessant sein. Für die Fernsteuerung von Robotern sind allerdings FM-Module deutlich besser geeignet..

Die Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite in spektraler und zeitlicher Sicht ist im 433 Mhz Band nicht beschränkt. Dies hat neben Vorteilen bei einer kontinuierlichen Übertragung auch Nachteile in Form eines höheren Störpotentials. Man muss einfach davon ausgehen, dass im Nachbarbereich schon zahlreiche Module in dem gleichen Frequenzbereich senden. Vor allem wären hier Funksteckdosen, Temperatursensoren, Wetterstationen, Türklingeln, Heizungssteuerungen als bevorzugte Anwender dieses Bandes zu nennen.

Eine sichere Übertragung kann nur bei kurzen Reichweiten oder in Verbindung mit einer leistungsfähigen Kanalcodierung erreicht werden. Module mit mehren Kanälen haben hier einfach deutliche Vorteile, indem Sie einfach auf eine andere Frequenz ausweichen können, wenn es auf einem Kanal zu Störungen kommt. Bei den leistungsfähigeren Modulen ist ein Kanalwechsel oft einfach durch einen RS232-Befehl per Software möglich. Abzuraten ist von Modulen, die nur auf einer einzigen Frequenz (Kanal) senden, wenn höhere Reichweiten erzielt werden sollen. Oder aber es ist vorher genau zu prüfen, ob diese Frequenzen auch wirklich frei von Störquellen sind.

Es gibt sehr schmale kompakte Funkmodule

Die erfahrenen Funk-Anwender sind sich der leidigen Tatsache bewusst, dass das 433-MHz ISM-Band völlig überladen ist, besonders auf dem europäischen Kontinent. Das rührt aber zur Hauptsache daher, dass fast alle bisherigen Anwendungen die Punktfrequenz von 433,92 MHz nutzen, was logischerweise auf dieser Frequenz zu einer hohen Dichte und damit zur Überbelegung führen musste. Das müsste aber so nicht sein, es gibt andere Frequenzen auch noch. Der schlechte Ruf des 400 MHz-Bandes kommt genau daher, dass alle Anwender sich auf diese Frequenz „gesetzt“ haben. So blieb es eben zumeist nicht aus, dass alle schlechten Erfahrungen hier gesammelt worden sind. Alle haben die handelsüblichen, preiswerten Funk-Module mit fester Frequenz 433,920 MHz eingesetzt, weil es Module mit alternativer Frequenz nicht gab. Wollte man dennoch eine andere Frequenz nutzen, musste ein anderes Modul eingesetzt werden, was erhebliche Kosten verursachen kann.

Bei neuen Modulen wie beispielsweise dem RT433F4 oder Easy Radio ER400TRS gehört dieses trübe Kapitel zumindest teilweise der Vergangenheit an, denn hier stehen ja 10 verschiedene Frequenzen (Kanäle) zur Wahl. Noch besser sieht's im 868 Mhz Band aus.

Das neue 868 MHz Band

Dieses 868 Mhz Band ist noch nicht solange freigegeben wie das 433 Mhz. Allein deshalb gibt es schon weniger Störquellen, welche die Funkverbindung und damit auch die Reichweite beeinträchtigen. Im Gegensatz zum 433 MHz-Band sind die Vorschriften im 868 MHz-Bereich zudem deutlich restriktiver, um gegenseitige Störungen möglichst gering zu halten. Das Band ist in verschiedene Bereiche unterteilt, die für bestimmte Nutzungen freigegeben sind.

http://www.roboternetz.de/bilder/ism-diagram.gif


Bereich Funktion Kanalraster Duty Cycle
1 Allgemein Breitband < 1%
2 Alarm 25 kHz < 0,1%
3 Allgemein Breitband < 0,1%
4 Alarm 25 kHz < 0,1%
5 Offen
6 Allgemein 25 kHz / Breitband < 10%
7 Alarm 25 kHz < 10% - 100%
8 Allgemein Breitband < 10% - 100%

Im Klartext heißt das, dass nicht auf allen Frequenzen der Funkmodule Dauersendungen beliebiger Länge durchgeführt werden dürfen. Es wird also nicht nur die Leistung vorgeschrieben, sondern auch die Nutzungszeit. Dies ist auf den ersten Blick nachteilig, hat aber ohne Zweifel den Vorteil, dass Kanäle nicht ständig besetzt oder gestört werden. Dadurch ist eine sichere kurze Funkübertragung gewöhnlich fast immer gewährleistet. Aber ganz muss auf Dauersendungen in diesem Frequenzbereich auch nicht verzichtet werden, es gibt Bereiche, wo dies erlaubt ist. So verfügt beispielsweise das Modul RT868F4 auch über einen Kanal, wo man sich bezüglich der Zeit keine Gedanken machen muss.

Bei dem Funkmodul RT868F4 ist die Kanalaufteilung laut Datenblatt daher so vorgenommen wurden: (Auszug aus Doku)

Die Kanäle 0, 1, 2 dürfen nur 0,6 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden

(= 1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1f

Die Kanäle 4, 5, 6 dürfen nur 0,06 Minuten pro Stunde im Sendebetrieb genutzt werden (= 0,1% duty cycle), unabhängig von der einstellbaren Sendeleistung (= max. +10dBm) SRD class 1g

Der Kanal 11 darf im Dauer-Sendebetrieb genutzt werden (= 100% duty cycle), allerdings nur mit einer Sendeleistung von max. +4dBm (Einstellung ATS3=2) SRD class 1k

2,4-GHz Band

Im 2,4-GHz-Band sind Spread-Spectrum-Kommunikationssysteme erlaubt, und es werden Funkmodule angeboten, die diese Technologie verwenden. 2,4-GHz-Funkwellen breiten sich sehr geradlinig aus, werden im Vergleich zu Funkwellen aus dem 400-MHz-Bereich weniger gebeugt und besitzen eine geringere Reichweite als diese. Doch aufgrund der hohen Bitrate, der exzellenten Sicherheit bei Datenübertragung mit Spread-Spectrum-Technologie und der guten Rauschunempfindlichkeit wächst die Zahl der Anbieter in diesem Bereich, und der Markt ist bereits gesättigt. Da die Reichweite in diesem Bereich recht gering ist, oft deutlich unter 100 Metern, aber der Datendurchsatz sehr hoch ist, wird dieser Bereich beispielsweise gerne für Video-Übertragungen genutzt.

Wie schwierig ist die Verwendung von Funkmodulen

Durch einige sehr umfangreiche Beiträge im Roboternetz könnte man den Eindruck gewinnen, dass die Verwendung von Funkmodulen schwierig und nur den Experten vorbehalten sei. Das ist so einfach nicht richtig, etwas knifflig ist es nur bei Funkmodulen, die noch kein Funkprotokoll implementiert haben. Dies sind aber vornehmlich nur die sehr günstigen Module, bei diesen sind oft noch eine etwas umfangreichere Außenbeschaltung sowie komplexere Software-Algorithmen (Stichwort: Manchester Codierung) notwendig. Zudem gibt es bei diesen Modulen oft Probleme mit der Reichweite, weil sie nur eine Frequenz- und AM-Modulation nutzen. Wenn es um größere Reichweiten geht, ist von den ganz preiswerten Modulen (unter 20 Euro) abzuraten, weil die Preisunterschied im Endeffekt mit Außenbeschaltung am Ende auch nicht mehr sehr groß ist. Allenfalls für Lernzwecke und Aufgaben innerhalb eines Zimmers können auch diese Module sehr interessant sein.

Aber bei den etwas teureren Modulen, zum Beispiel den oben genannten, ist bereits eine RS232-Schnittstelle vorhanden. Das bedeutet, die Anwendung solcher Module ist äußerst einfach. Gewöhnlich müssen diese Module nur mit 3 oder 5 Volt versorgt werden und können dann direkt mit 2 Leitungen an die Controllerpins (RX/TX) angeschlossen werden. Möchte man ein solches Funkmodul an den PC anschließen, so ist lediglich eine kleine Schaltung notwendig die den TTL-Pegel an die PC-Pegel (V24 +/-12V)) anpaßt. Eine Bauanleitung dazu wäre RN-FUNK. Bei dieser Bauanleitung werden 4 der oben genannten Module unterstützt. Das kleine Board sorgt dafür, dass alle Module mit einer Spannung zwischen 5 und 18 V versorgt werden können und dass die Module wahlweise direkt mit dem PC oder einem Controller verbunden werden können.



--Frank 12:18, 1. Dez 2005 (CET)

Siehe auch

Weblinks