IK Elektronik GmbH wurde dabei als einer der besten 15 Top-Arbeitgeber in Deutschland in der Kategorie EMS (Electronic Manufacturing Services) ausgezeichnet. Diese Auszeichnung würdigt das langjährige herausragende Engagement des vogtländischen Unternehmens für seine Mitarbeiter und die Schaffung eines attraktiven Arbeitsumfelds.

Die Bewertung durch Markt & Technik basierte auf einer umfassenden Analyse verschiedener Kriterien wie Arbeitsplatzkultur, Weiterbildungsmöglichkeiten, Work-Life-Balance, Innovationskraft und Nachhaltigkeit der Arbeitgeber der Kategorie EMS in Deutschland. In diesem Vergleich überzeugte IK Elektronik besonders durch:

• Spannende und interessante Arbeitsaufgaben: Mitarbeiter von IK Elektronik arbeiten an innovativen Projekten, die ihre Fähigkeiten fordern und weiterentwickeln. Persönliche Weiterbildung und Weiterentwicklung werden gefördert.

• Betriebsrestaurant mit frischem Bio-Essen: Ein gesundes und leckeres Speisenangebot fördert das Wohlbefinden der Mitarbeiter. Einen Großteil der Kosten dafür trägt das Unternehmen.

• Angenehmes Arbeitsklima: Ein respektvolles und kooperatives Miteinander prägt den Arbeitsalltag. Alle Arbeitsplätze sind modern, ergonomisch und funktional eingerichtet.

• Flexible Arbeitsgestaltungsmöglichkeiten: Diese tragen zur Vereinbarkeit von Familie und Beruf bei.

• Nachhaltige Unternehmensausrichtung: Energiesparende Technologien, Umweltbewusstsein und das Grundprinzip der Nachhaltigkeit sind feste und gelebte Bestandteile der Unternehmensphilosophie.

„Wir sind überaus stolz auf diese Auszeichnung“, sagte Jan-Erik Kunze, Geschäftsführer und Gesellschafter der IK Elektronik GmbH. „Seit Gründung des Unternehmens im Jahr 1996 war es stets unser Ziel, ein Umfeld zu schaffen, in dem unsere Mitarbeiter ihre Fähigkeiten entfalten und sich wohlfühlen können. Die Verleihung des wertvollen Gütesiegels durch die Zeitschrift Markt & Technik bestärkt uns in unserem Bestreben, kontinuierlich in die Zufriedenheit und das Wohlbefinden unserer Mitarbeiter zu investieren.“

Die Lage des Unternehmens im wald- und naturreichen Muldenhammer bietet den Mitarbeitern zudem die Möglichkeit zu arbeiten „wo andere Urlaub machen“. Die idyllische Umgebung fördert das Wohlbefinden und die Work-Life-Balance der Mitarbeiter und wirkt sich positiv auf die Motivation und die Produktivität aus.

IK Elektronik legt darüber hinaus großen Wert auf soziales Engagement und unterstützt lokale Initiativen und Vereine im Vogtland und in Dresden.

Die Auszeichnung als Top-Arbeitgeber bestätigt die erfolgreiche Umsetzung der geschilderten Maßnahmen und unterstreicht die Position von IK Elektronik als führendes Unternehmen in der Elektronikbranche. IK Elektronik wird auch weiterhin daran arbeiten, ein attraktiver Arbeitgeber zu sein und seine Mitarbeiter bestmöglich zu unterstützen.

Geschäftsführer Jan-Erik Kunze fasst zusammen: „Wir sind sicherlich nicht der bekannteste und größte Anbieter von Electronic Manufacturing Services (EMS) in Deutschland. Aber wir haben den Anspruch, unseren Mitarbeitern stets hervorragende Arbeitsbedingungen zu schaffen und durch die ganz besondere IK Elektronik Unternehmenskultur auch unseren Kunden und Partnern herausragende Leistungen, beeindruckende Qualität und hohe Innovation zu bieten.“

Sollen darüber hinaus die Repeater einen minimalen Stromverbrauch haben, um beispielsweise über lange Zeit batteriebetrieben und wartungsfrei zu arbeiten, dann gibt es keine einfache und etablierte Lösung mehr.

Das ist eine typische, aber auch besonders spannende Herausforderung für das Entwicklungsteam von IK Elektronik.

So begannen wir bereits vor einigen Jahren, verschiedene technische Möglichkeiten für diese Aufgabe am Markt zu recherchieren, zu testen und auch in Form eigener Software-Protokolle umzusetzen. Als erste Lösung entstand unser interner Funkstandard Variomesh als eigenständiger Softwarestack.

Zusätzlich dazu lief die Recherche nach verfügbaren Lösungen für die geschilderte Aufgabe stets weiter. Neben den technisch notwendigen Eigenschaften wurden Kriterien wie Time-to-Market / Entwicklungszeit, Entwicklungskosten, eventuelle Lizenzkosten und die Möglichkeit, das System bei IK Elektronik anzupassen und weiterzuentwickeln, in die Überlegungen einbezogen.

Wachsende Anforderungen, vorrangig aus den Bereichen Smart Home und Smart Metering, bei der Vernetzung von Sensoren und bei der Realisierung von Schnittstellen zur Cloud, führten schließlich zu einer Intensivierung unserer Aktivitäten – und zu einem interessanten Ergebnis!

Die Aufgabe

Für ein konkretes Entwicklungsprojekt stand für IK Elektronik die Aufgabe, eine Vielzahl batteriebetriebener Sensoren in Gebäuden an ein zentrales Kommunikations-Gateway anzubinden. Das Gateway kommuniziert über eine spezielle Funkfrequenz mit den Sensoren und stellt deren Daten via Mobilfunk oder DSL für eine Cloud zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung.

Zusätzlich sollten batteriebetriebene Repeater entwickelt werden, welche ebenso die Funksignale der Sensoren empfangen und gleichzeitig als Netzwerkknoten arbeiten. Sie sollten selbständig eine Verbindung mit benachbarten Repeatern und dem Gateway aufbauen und zuverlässig aufrechterhalten. Zentrale Kundenanforderungen dabei waren eine selbständige, automatische Konfiguration des Netzwerks und der Betrieb der Repeater über mehrere Jahre hinweg ohne Batteriewechsel.

Die Aufgabe war hinsichtlich der Elektronik-, Antennen- und Geräteentwicklung anspruchsvoll, aber für die Experten bei IK Elektronik gängiges Handwerk. Erstmalig setzten wir dabei aber als Kernkomponente für die Funkkommunikation zwischen Repeatern und Gateway Contiki-NG (NG: Next Generation) ein.

Diese Wahl ermöglichte es uns nun, innerhalb kurzer Entwicklungszeiten alle gestellten Aufgaben zu realisieren. Individuelle Designziele konnten berücksichtigt werden und optimal in den Entwicklungsverlauf einfließen. Contiki-NG wurde von unseren Ingenieuren für die spezielle Gerätehardware angepasst und in die Software des neuen Systems eingebettet.

Hinter den Kulissen von Contiki-NG

Contiki-NG ist ein frei verfügbares Betriebssystem. Es basiert auf Contiki-OS, das für 8-bit Computer von Adam Dunkels 2003 erstmalig veröffentlicht wurde und seitdem ständig weiterentwickelt wird.

Contiki-NG eignet sich besonders für Anwendungen im Umfeld des IoT (Internet-of-Things), bei denen nur wenig Ressourcen für die Funk-Datenübertragung zur Verfügung stehen. Es beinhaltet bereits viele notwendige Komponenten und Werkzeuge für Funk- und Netzwerk-Kommunikation.

Der aktuelle Versionsstand 4.8 (Juli 2022) und die Dokumentation sind im zugehörigen Github frei verfügbar.

Dank seiner Cross-Plattform-Architektur und geringen Systemanforderungen kann Contiki-NG auf zahlreichen Mikrocontrollern wie ARM Cortex M3 / M4 und Texas Instruments MSP430 eingesetzt werden.

Für die Entwicklung und Herstellung von sehr kompakten Baugruppen und Geräten mit Funkübertragung existieren auf dem Markt hochintegrierte Schaltkreise, bestehend aus HF-Transceiver, Mikrocontroller und weiteren Peripheriekomponenten wie ADCs und Schnittstellentreiber in einem einzigen Bauteil als SoC (System-On-Chip). Beispiele dafür sind die CC13xx/CC26xx SimpleLink MCU Serie von Texas Instruments, die einen großen Bereich an Möglichkeiten für die Sub-GHz- und 2,4GHz-Datenkommunikation abdecken, oder auch die Nordic nRF52-Generationen, die sich ebenfalls für 2,4GHz-Anwendungen eignen. Für diese SoCs sind eine Reihe von Beispielen für Applikations-Codes sowie zahlreiche Treiber für hardware-nahe Programmteile veröffentlicht, die als Ausgangspunkt für Contiki-NG verwendet werden können.

Die Funkkommunikation mit Contiki-NG setzt im Kern auf den IEEE 802.15.4 Standard auf, den auch die genannten SoCs mit zahlreichen Funktionen unterstützen.

Beim Einsatz von Contiki-NG sind insbesondere die Eigenschaften der jeweiligen Funkvernetzung flexibel anpassbar. Die Übertragungsparameter können an die Anzahl der Geräte im Funknetzwerk, an die Übertragungsgeschwindigkeit, die Reichweite sowie die Koexistenz mit anderen Funksystemen und die Gegebenheiten des jeweiligen Einsatzorts angepasst werden.

Dabei spielt die Funkfrequenz für das eigentliche Funkprotokoll keine Rolle. Sie kann individuell je nach physikalischen und technischen Gegebenheiten ausgewählt werden. Gebäudedurchdringung, Antennengrößen oder regulatorische Bestimmungen spielen bei der Auswahl eine Rolle. So sind die in Europa üblichen freien 433MHz- oder 868MHz-Frequenzbänder ebenso nutzbar wie das weltweit lizenzfrei einsetzbare 2,4GHz-Band.

Optimiert für wartungsarmen Batteriebetrieb

Um im Batteriebetrieb langjährige Laufzeiten ohne Batteriewechsel zu erreichen, sind bei der Entwicklung besondere Anforderungen zu meistern. Bei der Hardwareentwicklung ist ein geringer Stromverbrauch in der gesamten Schaltung – vor allem auch im Standby-Betrieb – außerordentlich wichtig. In der Software sind kürzest mögliche Abarbeitungszeiten der Programmprozesse, möglichst lange Tiefschlafphasen für die Elektronik und vorhersagbare Systemabläufe die nötigen Grundbausteine für die Zielerreichung.

Contiki-NG verwendet fast ausschließlich kooperatives Multitasking. Das bedeutet, dass mehrere Prozesse gleichzeitig abgearbeitet werden können. Der Übergang zwischen zwei Prozessen (Kontextwechsel) erfordert jedoch die aktive Abgabe der Rechenzeit durch den laufenden Prozess. Anschließend kann über den Scheduler der nächste wartende Prozess weiterarbeiten. Per Design ergibt sich so eine strukturierte, ereignisgesteuerte und sehr energieeffiziente Softwarearchitektur.

Mit dem Contiki-NG-Modul „Energest“ können zusätzlich alle Software-Prozesse hinsichtlich ihrer Laufzeiten analysiert, optimiert und für die Batteriekalkulation herangezogen werden. Zeiten für CPU, Funkkommunikation und Datenübertragung können damit bereits während der Entwicklung gegen die Designziele abgeglichen und angepasst werden.

Parlez-vous IP?

Diese Frage kann für das kleine, vielseitige Betriebssystem Contiki-NG mit einem klaren „Ja“ beantwortet werden. Geräte im Funknetzwerk können über IPv6-Adressierung und UDP-Datenverbindungen angesprochen werden. Dazu wird lediglich ein Border Router benötigt, welcher die Verbindung zwischen den Netzsegmenten, zum Beispiel Contiki-NG-Funknetzwerk und einem Industrial Gateway, herstellt. Darauf aufbauend kann mit COAP ein leichtgewichtiges Übertragungsprotokoll für IoT-Anwendungen zum Einsatz kommen. Je nach Applikation kann in der Anwendungsschicht nun nach Belieben erweitert werden.

Auch ein Gerätemanagement auf Basis von OMASpecworks  / LightweightM2M ist nahtlos integrierbar. Für die nötige Sicherheit bei der Funkübertragung sorgt eine AES-Verschlüsselung. Sie kann mit weiteren modernen Transportverschlüsselungsverfahren wie DTLS kombiniert werden. Alle weiteren Teilnehmer im Funknetzwerk werden durch das RPL (routing protocol for lossy and low-power networks) vernetzt.

Der Clou

Für unsere Anwendung war besonders wichtig, dass das Anlernen der Geräte und die Bildung des Netzes mit Contiki-NG automatisch erfolgen. Routen zur optimalen Verbindung zwischen den Repeatern und dem Gateway werden dynamisch gefunden. Das Funknetzwerk konfiguriert sich also selbständig und passt sich auch während des Betriebes stets optimal an die sich ändernden Übertragungsbedingungen an.

Unser Fazit

Dieses Entwicklungsprojekt endete mit der erfolgreichen Bereitstellung eines leistungsfähigen, wartungsarmen und stromsparenden Systems für den Empfang, die Verarbeitung und die Weiterleitung von Funksignalen in Gebäuden. Bei der Entwicklung der Funkelektronik wurden geeignete SoCs eingesetzt. Für die Embedded Software der entstandenen Geräte war Contiki-NG ein wichtiger und zentraler Bestandteil.

Die sehr komplexe Entwicklung konnte in einer kurzen Entwicklungszeit, mit überschaubaren Entwicklungsressourcen und mit nur zwei Musterzyklen erfolgreich beim Kunden vorgestellt werden.

Jeder Haushalt in Deutschland muss laut dem 2016 in Kraft getretenen Messstellenbetriebsgesetz mindestens mit einem digitalen Stromzähler ausgestattet sein. „Die modernen Messeinrichtungen werden in über 80% der Einbaufälle ohne das vom BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) konzipierte Kommunikationsmodul eingebaut und bieten zunächst kaum einen Vorteil für die Kunden.“, erklärt Wiegand Lütjen, Systemingenieur bei der EWE NETZ GmbH. „Um die Anforderungen im Forschungsprojekt „enera“ zu erfüllen und um den Kunden ohne Smart Meter Gateway eine digitale Lösung zu bieten, waren wir auf der Suche nach einer Technik, die den Stromzähler optional, das heißt nur auf Kundenwunsch, ‚online-fähig‘ macht und einen detailgenauen Zugriff auf die Verbrauchsdaten ermöglicht.“ Die im Rahmen des vom BMWI geförderten SINTEG-Projekts „enera“ zur Digitalisierung der Stromversorgung unter Mitwirkung der EWE NETZ GmbH realisierte Lösung, ermöglicht die sekundengenaue Messdatenerfassung der Stromzähler und damit die Möglichkeit neue, datenbasierte Dienstleistungen zu erproben.

Energiewirtschaft bereits länger an einer Lösung interessiert

Für die praktische Umsetzung der Digitalisierung von Stromzählern wurden  im Forschungsprojekt Partnerunternehmen mit Erfahrung in der Umsetzung von Cloudlösungen, Apps und Funkelektronik gesucht. Dadurch entstand eine enge Kooperation  u.a mit der Bosch.IO GmbH sowie der IK Elektronik GmbH. „IK Elektronik ist uns unter anderem durch ihre funkelektronische Expertise sowie bereits realisierte Lösungen wie den StromPager DX aufgefallen“, berichtet Lütjen. Die Funkelektronikexperten arbeiteten bereits im Vorfeld der Kooperation an der Digitalisierung von Strommessgeräten. „Die Konzeption für das Projekt entstand schon fast zwei Jahre vor der Anfrage durch die EWE NETZ GmbH“, erklärt Marko Herold, Leiter Produktmanagement bei der IK Elektronik GmbH. „In Gesprächen mit Akteuren aus der Energiewirtschaft wurde der Bedarf für eine Lösung wie dem MCA-WLAN offensichtlich, worauf wir eigene Vorversuche durchgeführt und Prototypen gebaut haben.“

Der Kommunikationsadapter sollte bei dem Projekt mit der EWE NETZ GmbH unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Dazu zählte unter anderem eine möglichst einfache Montage, welche direkt vom Endkunden durchgeführt werden kann. „Die Entwicklung war recht komplex. So stellte sich die Vielfalt der Stromzählermodelle am Markt als eine Herausforderung dar“, berichtet Herold. „Denn eigentlich müssten die Infrarotschnittstellen der Stromzähler gemäß Norm nahezu identisch sein. Doch die Praxis reicht von mechanischen Abweichungen über verschiedene Infrarot-Parameter bis hin zu vielfältigen Varianten beim Kommunikationsprotokoll“. IK Elektronik konstruierte den MCA-WLAN daher so, dass eine breite Palette von Stromzählern unterstützt wird und sogar bei verdrehter Montage eine sichere Kommunikation möglich ist. Neue Kommunikationsprotokolle lassen sich bei Bedarf einfach durch ein Remote Update der Gerätefirmware aufspielen.  Die Platzierung des Geräts erfolgt ganz einfach mit einem Permanentmagneten, ein falsches Anbringen ist damit unmöglich. Auf diese Weise nimmt die Montage nur kurze Zeit in Anspruch. Die Stromversorgung erfolgt über ein mitgeliefertes USB-Netzteil. Für schwierige Empfangssituationen kann am Gerät außerdem eine externe 2,4 GHz-Antenne montiert werden, etwa wenn der Stromzähler im Keller sitzt und das WLAN-Signal zu schwach ist.

Von der Installation bis zum Regelbetrieb in fünf Minuten

Nach abgeschlossener Montage erfolgt die Integration in das WLAN vor Ort. Dazu baut das Modul zunächst einen WLAN-Accesspoint auf, um anschließend auf die Konfiguration zugreifen zu können. Danach wird die Verbindung zum Zielsystem eingerichtet, ehe der Regelbetrieb einsetzt. Bei einem optimalen Verlauf dauert dieser Vorgang bis zum ersten Zugriff auf die Messdaten fünf Minuten. „Lediglich die Spannungsversorgung stellt eine Herausforderung bei der Installation dar“, erklärt Lütjen. „Besonders gut eignen sich deshalb Zähler, die bereits über ein integriertes Netzteil verfügen oder bei denen ein Netzteil einfach nachgerüstet werden kann.“

Sobald der Funkadapter im Regelbetrieb läuft, überträgt er im Sekundenrhythmus Zählerdaten an die gewünschte Kunden-App. Durch die zeitlich hohe Auflösung erhält der Kunde besonders detaillierte Informationen zu seinem Energieverbrauch. Mit der App lässt sich beispielsweise erkennen, wie hoch der tagesaktuelle Verbrauch ist oder welche Haushaltsgeräte am meisten Strom benötigen. Dadurch können Geräte mit einem überdurchschnittlich hohen Verbrauch identifiziert und diese gegebenenfalls durch energieeffizientere Modelle ersetzt werden, sodass die Stromkosten sinken. Ein weiterer Vorteil: Der Stromverbrauch wird nicht nur in kWh angegeben, sondern gleich in den zu zahlenden Betrag umgerechnet. Der Stromkunde erhält damit die volle Transparenz, wie sich seine Energiekosten zusammensetzen und wo gegebenenfalls Sparpotenzial besteht. „In einem parallel stattfindenden Pilotprojekt erfolgt bereits eine monatliche Abrechnung des Stromverbrauchs auf dieser Basis“, berichtet Lütjen. „Die Datenerfassung und einheitliche Bereitstellung bildet die Grundlage für weitere individuelle Dienstleistungen. Um für verschiedene Kundengruppen Anknüpfungspunkte zu liefern, soll der Endverbraucher zukünftig die Zählerdaten in seine Smart Home-Lösung einbinden können.“

Geplante Zuwachsraten im fünfstelligen Bereich

EWE NETZ hat bisher Erfahrungen mit mehreren hundert optischen Auslesemodulen gesammelt und befindet sich aktuell in der finalen Testphase. Derzeit sind die Module bei ausgewählten Testkunden im Einsatz und konnten dort bereits durch positive Ergebnisse überzeugen. Auf Grund der positiven Erfahrungen bei der Entwicklung und im Feldtest hat der Energieversorger für den Ausbau des Angebots eine erste Serie an MCA-WLAN bei IK Elektronik bestellt. „Die Zusammenarbeit mit IK Elektronik auf technischer Ebene war stets konstruktiv und zielgerichtet, sodass wir mit der gemeinsamen Entwicklung bisher sehr zufrieden sind. Da wir kurz vor der Markteinführung stehen, sollen noch in diesem Jahr Geräte im überschaubaren dreistelligen Bereich bei unseren Kunden implementiert werden“, erläutert Lütjen.

Während der MCA-WLAN hauptsächlich für Privathaushalte gedacht ist, arbeiten IK Elektronik und die EWE NETZ GmbH auch an einer Variante für Gewerbekunden und technische Liegenschaften. „Wir planen auch die Implementierung von Funkstandards wie Wireless MBus, Sigfox oder Narrowband IoT, um eine direkte Übertragung der Zählerdaten in die Cloud anbieten zu können“, erklärt Herold. „Wir möchten damit neue Anwendungsgebiete erschließen. Für NarrowBand IoT oder Sigfox benötigt man beispielsweise keine kundenseitige Kommunikations-Infrastruktur. Mit Sigfox oder Wireless MBus sind batteriebetriebene Anwendungen möglich, sofern keine hohen Anforderungen an die zeitliche Auflösung der Daten bestehen. Die Herausforderungen dabei sind die platzsparende Integration der Antennen und das stromsparende Design bei Batteriebetrieb.“ Ein möglicher weiterer Anwendungsbereich sind die lokale Vernetzung und Kommunikation mit bestehenden Anlagen der Stromkunden wie beispielsweise Ladesäulen oder Energiemanagementsysteme. „Als Lösungsanbieter im Bereich des Messwesens wollen wir die Etablierung neuer innovativer Dienstleistungen unterstützen“, berichtet Lütjen. „Gleichzeitig stehen wir auch als Ideengeber und Diskussionspartner für unsere Projektpartner wie beispielsweise IK Elektronik zur Verfügung. Grundsätzlich sind wir immer für Kooperationen offen, in denen gemeinsam an neuen Lösungen gearbeitet wird, die für alle Beteiligten einen Mehrwert erbringen und bei denen der Fokus über die regulatorischen Mindestvorgaben hinausgeht.“

Weitere Informationen im Internet unter: https://projekt-enera.de/ und https://www.ewe-netz.de/ und https://www.ik-elektronik.de

enera ist ein in Norddeutschland realisiertes Forschungsprojekt, das im Rahmen des Programms „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ (SINTEG) durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. Dort werden mit über 300 Projektpartnern deutschlandweit Musterlösungen für die zukünftige Energieversorgung erarbeitet und unter Realbedingungen getestet. Bei enera spielen vor allem die Nutzung von Windenergie sowie die intelligente Kombination von Stromnetzen sowie Speicher-, Kommunikations- und Verbrauchstechnologien mit Hilfe digitaler Technologien eine bedeutende Rolle.

Die IK Elektronik GmbH mit Sitz in vogtländischen Muldenhammer wurde 1996 ursprünglich als Ingenieurbüro gegründet. Heute arbeiten dort mehr als 50 Mitarbeiter, darunter derzeit 15 Entwicklungsingenieure, an der Entwicklung und Fertigung von Hochfrequenz- und Funkbaugruppen. IK Elektronik entwickelte bisher über 400 verschiedene Produkte. Schwerpunkte in der Produktentwicklung und auch der Produktion bei IK Elektronik sind die Themen Smart Home, Verbrauchsdatenerfassung, intelligente Energienetze in der Energiewende sowie funkbasierte Lösungen für die die Automatisierungstechnik.

Die EWE Netz GmbH wurde 2006 mit Hauptsitz in Oldenburg gegründet und ist ein Unternehmen der EWE-Gruppe. EWE NETZ ist mittelbar eine Tochtergesellschaft der EWE AG. Zudem sind 123 Städte und Gemeinden aus dem Ems-Weser-Elbe-Gebiet mit 4,1 Prozent am Unternehmen beteiligt. Sie betreibt hochmoderne und effiziente Netze, die zu den sichersten in Europa zählen. Hierzu gehören ein Stromnetz sowie ein Erdgasnetz im Ems-Weser-Elbe-Gebiet und zusätzlich Erdgasnetze in Brandenburg, Nordvorpommern und auf Rügen. Zugleich ist die EWE Netz GmbH auch Eigentümer dieser Netze.

Eigenschaften

Variomesh ist eine Wireless Mesh Network Technologie für die Funkdatenübertragung mit konfigurierbaren Eigenschaften. Das System ermöglicht den Aufbau von Funknetzwerken mit bis zu 256 Teilnehmern, die automatisch angelernt werden und sich während des Betriebs verändern können. Es erfolgt ein dynamisches Routing mit einer beliebigen Anzahl von Paketweiterleitungen innerhalb des Netzwerks. Die Übertragung ist für eine hohe Zuverlässigkeit, Datensicherheit und eine hohe Anzahl von Teilnehmern für nur geringe Mengen an zu übertragenden Daten konzipiert. Aktive Netzwerkteilnehmer besitzen volle Routing-Funktionalität. Abgesetzte Sensoren mit geringem Stromverbrauch können auf den Passivbetrieb umgeschaltet werden (kein Routing). Ein Update der Firmware über Funk ist möglich. Die Datenübertragung erfolgt verschlüsselt.

Variomesh kann auf beliebigen Funkmodulen eingesetzt werden und ist nicht an eine bestimmte Frequenz, einen bestimmten Mikrocontroller oder Funk-Transceiver gebunden. IK Elektronik stellt die Variomesh-Technologie als Basis-Technologie für verschiedene Anwendungen und als Bibliothek innerhalb von Produktentwicklungen zur Verfügung. Variomesh-Funkmodule sind für die Frequenzbereiche 434 MHz und 868 MHz verfügbar. Eine Portierung auf die Frequenzbereiche 169 MHz, 915 MHz, 2,4 GHz oder 5,8 GHz ist einfach möglich.

Anwendungsbereiche:

• Smart Home:
  • Temperatur- / Feuchtigkeits- / Lichtsensoren
  • Aktoren für Beleuchtung, Stellantriebe
  • Schalter, Stellregler und Dimmer
  • Belüftungs- und Heizungssteuerung
  • Alarmtechnik
• Smart Energy:
  • Überwachung und Vernetzung von Solarfeldern
  • Vernetzung von dezentralen Energieerzeuger und -verbraucher
  • Vernetzung von Umweltsensoren
  • Trackinganwendungen
• Smart City:
  • Vernetzung von Straßenbeleuchtungen
  • Wettersensorik
  • Abfallsensorik
  • Prozessüberwachung

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Hauptmerkmale:

• Automatische Fernwartung nach DIN 14676-1 C
  Immer einsatzbereit, immer informiert: Alle 24H Selbsttest, Fernwartungsroutine und Dokumentation in der Lupus Cloud nach DIN 14676-1 C aus 12/2018.
• 10 Jahre Batterielaufzeit
  10 Jahre Batterielebensdauer und Produktlebenszyklus. Unbegrenzt skalierbar und einsetzbar: Benötigt kein Gateway, kein lokales Internet und keine lokale Stromversorgung.
• Einfache Verwaltung per LUPUS Cloud
  Immer online: Dank integriertem Mobilfunk-Modul und Lupus IoT Cloud. SIM-Karte bereits integriert und fest verlötet.
• Alarmmeldungen per App, NSL oder API-Schnittstelle
  Sofort alarmiert: Sendet Rauchwarnmeldungen an Ihr Smartphone, Ihre Notrufserviceleitstelle oder Ihre IoT Plattform.
• Unbegrenzt skalierbar, überall einsetzbar
  Unbegrenzte Geräteanzahl und unbegrenzte Reichweite dank vollständig dezentral arbeitender Endgeräte.
• Extrem kosteneffizient und schnell zu installieren
  Zur Aktivierung wird einfach der Knopf des Rauchmelders gedrückt, der QR-Code mit der Lupus App gescannt und montiert. Fertig.

Rauchmeldermanagement mit Lupus IoT

Die Anbindung der Rauchmelder an die Lupus Cloud erlaubt die mehrstufige zentrale Administration, ein umfangreiches Rechtemanagement, die einfache Zuordnung der Sensoren nach Land, nach Stadt, nach Gebäude sowie nach Wohnungs- oder Nutzungseinheit. Es erfolgt eine 10 jährige Dokumentation und Speicherung der automatischen Fernwartung. Damit wird der gesamte geforderte Prozess der Fernwartung der Rauchmelder automatisiert. Nicht nur die vorgeschriebene jährliche Wartung der Rauchmelder durch qualifiziertes Personal kann durch die Fernwartung entfallen, sondern auch die Verwaltung und Dokumentation werden durch die Verbindung mit der Cloud radikal vereinfacht. Zudem stehen aktuelle Servicedaten aller Rauchmelder jederzeit zur Verfügung. Ausfälle und Servicebedarf werden sofort erkannt.

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MCA wird dabei einfach auf die genormte optische Schnittstelle des Zählers aufgesetzt. Für die Anbindung an die Cloud stehen dabei mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:

• MCA-S: mit Sigfox-Schnittstelle – für die direkte Anbindung an die Sigfox-Cloud

• MCA-M: mit Mobilfunk-Schnittstelle (NB-IoT) – für die direkte Anbindung an die Narrowband-IoT Cloud

• MCA-WLAN: mit WLAN-Schnittstelle – für die Einbindung eine WLAN-Netzwerkumgebung

Der Funkadapter MCA setzt die Signale des Verbrauchszählers von der optischen Schnittstelle in Funksignale um. Per WLAN erfolgt eine direkte Verbindung über das Heimnetz zur Cloud. Mit dem Mobilfunkdienst NB-IoT lassen sich die Daten ohne Umweg in die Cloud übertragen. Genauso einfach ist das über die Variante mit Sigfox möglich.

Für den Anwender können die Verbrauchsdaten in Form von Mehrwertdiensten zur Verfügung gestellt werden. Dazu zählen die Visualisierung über Smartphone-Apps, die Steuerung von Verbrauchern über das Smart Home-System oder andere. Stadtwerken und Energienetzbetreibern eröffnen sich damit neue Geschäftsfelder mit hoher Kundenbindung.

In schwierigen Empfangssituationen, wie in Schaltschränken im Keller von massiven Gebäuden, kann die Funkübertragung des MCA in die Cloud durch zusätzliche Hilfsmittel, wie handelsübliche WLAN-Repeater oder Sigfox-Mikro-Basisstationen, gewährleistet werden.

Die IK Elektronik GmbH wurde zum „Großen Preis des Mittelstandes 2019 nominiert. Nur jedes tausendste Unternehmen Deutschlands erreicht die Nominierungsliste. IK Elektronik gehört dazu.

Ein großer Erfolg für das mittelständische Unternehmen mit Sitz in Muldenhammer. Die Nominierung zu diesem Wettbewerb, zu dem man sich nicht selbst bewerben kann, gilt als Eintrittskarte ins „Netzwerk der Besten“. Denn als einziger Wirtschaftspreis Deutschlands betrachtet der "Große Preis des Mittelstandes" nicht allein Zahlen, Innovationen oder Arbeitsplätze, sondern das Unternehmen als Ganzes und in seiner komplexen Rolle in der Gesellschaft.

"Der Mittelstand ist und bleibt ein Garant für Stabilität und Vertrauen in Deutschland. Den Nominierten und den Preisträgern beim … ‚Großen Preis des Mittelstandes‘ gratuliere ich herzlich. … Das haben Sie sich verdient." sagte Dr. Wolfgang Schäuble, Bundestagspräsident, im Jahr 2017 als Bundesminister der Finanzen.
"Der ‚Große Preis des Mittelstandes‘ ist ein Aushängeschild für die angesehene Marke ‚Made in Germany" sagte Albrecht Gerber als Wirtschafts- und Energieminister Brandenburg.
Und Barbara Stamm, Präsidentin des Bayerischen Landtages a.D., lobte: „Wer hier nominiert wurde, hat allein durch diese Auswahl bereits eine Auszeichnung 1. Güte erfahren.“
"Der von der Oskar-Patzelt-Stiftung vergebene ‚Große Preis des Mittelstandes‘ ist deutschlandweit die begehrteste Wirtschaftsauszeichnung", schrieb die WELT.

In den Jahren 2008 und 2016 wurde die Stiftung mit dem Bundesverdienstkreuz geehrt und 2015 mit dem Company Change Award ausgezeichnet.

Die Nominierung ist ein großes Lob für IK Elektronik. Bis 15. April 2019 hat IK Elektronik nun Zeit, aussagefähige Unterlagen zusammenzustellen und online einzureichen. Eine unabhängige Jury wird dann die Auswahl der Preisträger und Finalisten vornehmen. Die Preisverleihungen finden im September statt, gefolgt von der Bundesgala im Oktober.

Prinzip und Aufbau

Ein Sensor enthält einen Energy Harvester, der Umgebungsenergie in elektrische Energie umwandeln kann.

Eine Schaltung zur Energieaufbereitung (Energy Management) ist erforderlich, um die gewonnene Energie an ein Spannungsniveau anzupassen, das von der Elektronik genutzt werden kann (meistens im Bereich von 1 bis 5 V DC). Die Energieaufbereitungsschaltung selbst muss einen sehr geringen Energieverbrauch und Verlust aufweisen, um auch kleine Energiemengen vom Harvester effizient umsetzen zu können. Das ist einen knifflige Aufgabe. Eingesetzt werden hierfür spezielle Schaltkreise oder auch kombinierte diskrete Schaltungen aus Gleichrichter, Spannungswandler und Energie-management. Zwischen Energy Harvester und Energieaufbereitungselektronik muss auf eine optimale Impedanzanpassung geachtet werden, um den Wirkungsgrad der Energiegewinnung zu optimieren.

Der Energiespeicher (Energy Storage) nimmt überschüssige Energie aus der Energie-aufbereitungsschaltung auf und stellt sie der Anwendungselektronik auch längerfristig zur Verfügung. Als Speicherelemente werden Kondensatoren, Supercaps oder Akkus eingesetzt.

Die Praxis zeigt, dass für jede Anwendung unterschiedliche Anforderungen bestehen. Nicht nur die Art der Umgebungsenergie selbst, sondern auch der Energy Harvester, die Energieaufbereitung und der Speicher müssen stets neu und sorgfältig ausgewählt werden.

Die Anwendungselektronik besteht üblicherweise aus Mikrocontroller, Sensoren und einem Funk-Transceiver oder Funk-Sender. Auch Aktoren sind möglich. Per Software des Mikrocontrollers können alle Funktionen und Schnittstellen sowie das Energiemanagement gesteuert werden.

Einige Geräte kombinieren Energy Harvesting auch mit zusätzlichen Batterien. Dadurch wird Versorgungssicherheit oder eine verlängerte Batterielebensdauer erreicht. Vollständig energieautarke batterielose Geräte können immer dann realisiert werden, wenn mehr Umgebungsenergie gewonnen werden kann als für die gesamte Schaltung benötigt wird.

Technischer Stand bei Energy Harvesting

Die sehr unterschiedlichen Anforderungen an energieautarke Geräte führen auch zu unterschiedlichen technischen Lösungen:

• Solarzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen (amorph, mono- und polykristallin). Solarzellen sind gut anpassbar und werden häufig für autarke Sensoranwendungen eingesetzt, insbesondere im Außenbereich.

• Elektrostatische Konverter erreichen die niedrigsten Leistungsstufen (aber hohe Spannungen) und sind kaum als kommerzielle Produkte erhältlich.
  Piezoelektrische Wandler haben eine erhebliche Alterung und erreichen somit keine lange Lebensdauer.

• Elektrodynamische Wandler sind eine ideale Kombination aus langer Lebensdauer, hoher Energiedichte und geringer Alterung. Begrenzend könnte die notwendige Größe für eine bestimmte Leistung wirken.
  Sowohl elektrostatische als auch elektrodynamische Harvester liefern Wechselspannung, die gleichgerichtet werden muss. Die Richtung der Anregung durch eine mechanische Bewegung kann aus dem Signal jedoch zusätzlich abgeleitet werden, um z.B. die Betätigungsrichtung von Schaltwippen zu ermitteln.

• Wandler für Vibrationsenergie sind spezielle Versionen von elektrostatischen oder elektrodynamischen Wandlern. Sie sind wenig verbreitet und häufig noch Gegenstand von Forschung.

• Der thermoelektrische Wandler (TEG) ist in verschiedenen Ausführungen und Leistungsbereichen handelsüblich. Die TEG ist gut skalierbar und daher an unterschiedliche Anwendungsszenarien anpassbar. Voraussetzung für eine zuverlässige und dauerhafte Funktion ist das Vorhandensein eines kontinuierlichen Wärmeflusses zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, da für das Umwandlungsprinzip ein erheblicher Temperaturgradient erforderlich ist und der Wirkungsgrad sehr gering ist.

• Energy Harvesting aus elektromagnetischen Feldern wird auf Hochspannungsleitungen an Strommasten zur Energieversorgung von Sensoren verwendet. Auch das kabellose Laden von Zahnbürsten oder Mobiltelefonen ist ein kommerzieller Anwendungsfall. Diese Art der Energieerzeugung kann nur zusammen mit künstlich erzeugten Feldern eingesetzt werden. Die Stärke von natürlicher elektromagnetischer Energie, die in der freien Umgebung zur Verfügung steht, ist zu gering um technisch genutzt zu werden.

Beispiele realisierter Produkte bei IK Elektronik

– EnOcean-Funkmodule 315 und 868 MHz (TCM, PTM, STM)
– Batterielose Funk-Raumthermostate mit Solarzellen
– Funkschalter für Industrieanwendungen mit elektrodynamischem Wandler
– Batterieloser Funk-Lichtschalter
– Batterieloser Funk-Fensterkontakt
– Funkmodule 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz für Smart Home mit elektrodynamischem Wandler
– Sensorschraube mit Energy Harvesting und Funkelektronik

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Als Entwickler von Funkelektronik haben die Ingenieure bei IK Elektronik sehr vielfältige Aufgaben zu lösen und ein sehr breites Wissensgebiet abzudecken. Neben der Elektronikentwicklung, Messaufgaben, der Softwareentwicklung und dem Projektmanagement ist es zunehmend notwendig und wichtig, auch Konzeptarbeit zu leisten. Kunden und Geschäftspartner des Unternehmens müssen bei der der Realisierung ihrer gesamten Anwendung oder ihres gesamten Systems unterstützt werden.

Mit dem zunehmenden Interesse der Kunden des Unternehmens und des Marktes am „IoT“, dem „Internet of Things“, also der Vernetzung von dezentralen Sensoren und Aktoren mit dem Internet sind auch die Entwickler bei IK Elektronik im Rahmen ihrer Tätigkeit zunehmend mit diesen Themen konfrontiert. Zahlreiche Studien, Vorentwicklungen und Produktentwicklungen konnten in den letzten Monaten und Jahren (bis 2019) bereits bei IK Elektronik durchgeführt werden, beispielsweise in den Geschäftsfeldern Smart City, für Smart Home oder auch Smart Metering.

Beispiele realisierter NB-IoT-Projekte sind die Überwachung von mobilen Maschinen, die Ablesung von Verbrauchsdaten für Energie oder auch die Umweltsensorik im und um das Haus. Vielfältige neue Ideen werden an IK Elektronik herangetragen. Die Anforderungen reichen dabei vom Konzept für neue Geräte über die kompletten Entwicklungsleistungen bis hin zur Fertigung. Auch Unterstützung im Bereich Antennenentwicklung, Schaltungsoptimierung oder Produktzulassung sind gefragte Leistungen.

Die Motivation für den Anwenderbericht zum Thema „NB-IoT“ – „Narrow Band Internet of Things“ ist die Zusammenfassung oder besser Sammlung der bisherigen Erfahrungen in Form einer Einführung in das Thema für unsere Kunden, für Entwickler und Interessierte, ohne den Anspruch auf umfassende Darstellung und Vollständigkeit. Es handelt sich um eine Momentaufnahme zum Zeitpunkt der Erstellung aus Sicht des Entwicklers.

Der Anwenderbericht von IK Elektronik enthält:

• Motivation aus Sicht des Entwicklers
• Begriffe und Einordnung
• Technische Grundlagen
  • Genutzte Frequenzen für NB-IoT
  • Sendeleistungen, Link Budget und Strombedarf von NB-IoT-Modulen
  • Übertragungsablauf bei NB-IoT
  • Datenvolumen, Datenrate und Kosten
  • Roaming, Handover und Nutzung der Technologie zu Ortung
• Ausblick auf die weitere Entwicklung
• Weiterführende Links zu Netzbetreibern und Modulherstellern

Zum vollständigen Anwenderbericht