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Laufzeitanalyse batteriebetriebener Smart-Home-Geräte

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Messung im realen Umfeld

Ziel der Untersuchung war, die Laufzeit von batteriebetriebenen Knoten zu ermitteln. Es ist von großer Bedeutung, die Produkte in einem realen Umfeld zu evaluieren, da sich mit Einzelmessung im Labor mitunter das tatsächliche Verbrauchsverhalten nicht vollständig abbilden lässt.

Störungen durch andere Technologien oder das reale Nutzerverhalten können nicht oder nur schlecht abgebildet werden. Wird eine Tür geöffnet, löst der Sensor ein Ereignis aus und wartet noch auf die Bestätigung der Gegenstelle. Währenddessen wird die Tür geschlossen und ein weiteres Ereignis ausgelöst.

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Damit beginnt ein neuer Kommunikationszyklus während der vorhergehende noch nicht abgeschlossen wurde. Dies ergibt eine Verfälschung der gemessenen Energiewerte. Daneben kann eine Abschätzung der Energieeffizienz des Funkprotokolls getroffen werden. Werden Pakete dauerhaft mehrfach gesendet, so verringert sich die Effizienz und die Lebensdauer eines Knotens sinkt.

Für die Untersuchung wurden Produkte verschiedener Hersteller verwendet, darunter die in Deutschland weit verbreiteten Homematic, RWE, Enocean und Z-Wave.

Unterschied zwischen Labormessung und realer Umgebung

Am Beispiel des Homematic Tür-/Fensterkontakts entsprechend Bild 3 wird der Unterschied zwischen Labormessung und Messung in realer Umgebung gezeigt. Dieser wird von einer Reihenschaltung aus zwei Knopfzellen vom Typ LR44 mit jeweils 1,5 V und 138 mAh versorgt. Für die Messung wurde der Tür-/Fensterkontakt mit einer schaltbaren Steckdose logisch verbunden. Ebenso ist die Zentrale der Homematic in Betrieb.

Für die Schätzung der Lebensdauer eines Knotens wird zuerst die Leistungsaufnahme pro Ereignis ermittelt. Mit diesen Daten und den Kennwerten der verwendeten Batterie lässt sich im Labor eine mögliche Anzahl an Ereignisse bestimmen. Diese gelten jedoch nur unter den gegebenen Bedingungen und bilden die Verhältnisse im Realen kaum nach. In mehreren Versuchen ergab sich als durchschnittliche Energiemenge pro Ereignis für den untersuchten Sensor folgender Wert:

E1 = 0,04363091 Ws

Die Batterien stellen mit den oben genannten Kennwerten etwa folgendes zur Verfügung:

EBatterie = U*C = 3V*0,138Ah*3600 =

1490,4 Ws

Unter der Annahme, dass die gesamte Batteriekapazität genutzt werden kann, ergeben sich rund 34.159 Ereignisse:

Ereignisse = EBatterie/E1 = 34.159 Ereignisse.

Bei einer Nutzungshäufigkeit von 20 Ereignissen pro Tag ergibt sich eine Nutzungsdauer von rund 4,5 Jahren.

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