Ratgeber
Funkmodule » Drahtlos schalten, steuern und Daten übermitteln
Ob Fernseher, Rollläden oder Garagentor – heutzutage ist es völlig normal, dass wir Geräte und Maschinen drahtlos aus der Ferne steuern. Mit modernen Funksystemen können Sie sogar Smart Home-Anwendungen realisieren und das Mobilfunknetz für Ihre Zwecke nutzen. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie Funkmodule funktionieren, welche Ausführungen und Einsatzbereiche es gibt und worauf Sie bei der Auswahl achten sollten.
Funkmodule sind elektronische Baugruppen, die Schalt- und Steuersignale, Status- oder Störmeldungen sowie Daten per Funksignal übertragen können. Sie bestehen aus mindestens einem Sender und/oder einem Empfänger.
Im drahtlosen Funkverkehr kommunizieren Transmitter (Sender) und Receiver (Empfänger) entweder unidirektional (einseitig) oder bidirektional (beidseitig, also mit Rückmeldung auf das gesendete Signal). Moderne Funkmodule arbeiten fast ausschließlich mit digitalen Signalprotokollen, die weitgehend störsicher sind und zudem eine Datenverschlüsselung erlauben.
Zur Übertragung von digitalen Signalen zwischen Sender und Empfänger wird unter anderem die FSK-Modulation genutzt. Die Digitalisierung trägt wesentlich zur Verbreitung von Funkmodulen bei. Vor allem chipbasierte Module mit kleiner Bauform passen in unzählige Gehäuse und Sticks (Stichwort: USB Funk-Sticks). Auf gemeinsamen Platinen werden Funkmodule funktional und technisch mit digitalen Schnittstellen kombiniert.
Eine SPI-Schnittstelle ermöglicht beispielsweise eine kabellose Datenübertragung zwischen Mikrocontrollern. Einige Platinen verfügen über eine zusätzliche Buchse für die Datenübertragung via USB Heutige Module benötigen oft nur wenig Strom und eine relativ niedrige Betriebsspannung. Sie können daher sehr flexibel eingesetzt werden und ihre Versorgungsenergie z. B. über Batterien beziehen.
Für viele Funkmodule wird eine Reichweite von 1000 Metern angegeben. Es gibt aber auch Module mit höherer und geringerer Reichweite. Die tatsächlich in der Praxis erreichbare Reichweite wird von vielen Faktoren beeinflusst und unterliegt Schwankungen. Bestimmend sind unter anderem Sendeleistung, Frequenzband, Empfindlichkeit der Module, technische Störfaktoren und die jeweilige Umgebung (z. B. Tal mit umliegenden Bergen oder Freifeld bei optimalen Bedingungen).
Ein wichtiger Faktor ist die verwendete Antenne. Wenn beispielsweise ein MHz-Funkmodul mit einem entsprechenden Anschluss ausgestattet ist, können Sie die optimale Reichweite im Freifeld mit einer externen MHz-Antenne erhöhen.
Da Funkmodule sich für unzählige Anwendungen eignen und zunehmend mit digitalen Technologien verschmelzen, gibt es eine große Auswahl an Ausführungen und technischen Umsetzungen für unterschiedliche Einsatzbereiche.
HF-Module werden beispielsweise für Automatisierungssysteme und Notruf- und Autoalarmsysteme eingesetzt. Weitere Einsatzbereiche für Funkmodule sind vernetzte Messeinrichtungen mit Sensoren, Telemetrie, Maschinenüberwachung sowie die Gebäudesteuerung und -überwachung.
Für den drahtlosen Anschluss von Peripheriegeräten (Maus, Tastatur) an einen PC eignen sich Funkmodule mit Bluetooth, die das 2,4-GHz-ISM-Band (2,4 GHz bis 2483 GHz) nutzen.
Auch smarte Lichtsysteme und Smart Homes verwenden Funkmodule. Fernsteuerungen sind ein weiterer Anwendungsbereich. Neben Einbaumodulen werden Handsender für die unkomplizierte Bedienung von Geräten und Maschinen angeboten.
Einige sind als Universal-Fernbedienungen ausgelegt, die mit Empfangsmodulen verschiedener Hersteller kommunizieren können. Sie können also mit nur einer Fernbedienung beispielsweise Rollläden, Alarmanlagen und Garagentore steuern.
In der Regel entscheidet der Einsatzzweck über den Kauf eines Funkmoduls. Für einfache Anwendungen reichen preiswerte, unidirektional arbeitende Funkmodule meist aus. Unidirektionale Module geben keine Rückmeldung, ob das Funksignal den Empfänger erreicht hat und korrekt identifiziert wurde.
Möchten Sie etwa für einen einfachen Befehl ein jederzeit griffbereites Gerät nutzen, empfiehlt sich ein Funksystem aus Handsender und Einbaumodul, das den gesendeten Befehl empfängt und dann die gewünschte Aktion auslöst. Bidirektionale Module geben Rückmeldung darüber, ob ein Signal beim Empfänger angekommen und der Befehl ausgeführt worden ist. Sie eignen sich für komplexere Anwendungen, die beispielsweise erfordern, dass auf eine Rückmeldung weitere Aktionen folgen.
Verwenden Sie mehrere bidirektionale Module, ist neben einem paarweisen Betrieb auch der Aufbau von Funknetzwerken möglich. Im Smart Home können mit bidirektionalen Modulen Geräte ins Netzwerk eingebunden werden.
Soll die Reichweite Ihres Funksystems erhöht und das Mobilfunknetz für bestimmte Anwendungen einbezogen werden, benötigen Sie spezielle Transceiver (deutsch: Sendeempfänger). Einige Modelle unterstützen neben dem älteren Mobilfunkstandard GSM neuere Standards wie LTE und 5G. Verknüpft man ein heimisches Gerät über ein solches Funkmodul mit dem Mobilfunknetz, können im Auslandsurlaub Stör- und Statusmeldungen als SMS auf dem Mobiltelefon empfangen werden. Zugleich können Sie aus der Ferne gezielt bestimmte Aktionen vor Ort auslösen. Neben dem Einsatzzweck sind weitere Faktoren für den Kauf eines Funkmoduls entscheidend. Zu nennen sind hier beispielsweise die Stromversorgung und der Stromverbrauch. Für den Dauerbetrieb bieten sich Module an, die wenig Strom verbrauchen.
Liegt beispielsweise die Betriebsspannung bei 5 Volt, können Sie Funkmodule über einen USB-Anschluss mit Strom versorgen. Module, die eine höhere Betriebsspannung benötigen, werden mit Batterien betrieben. Es gibt Funkmodule, bei denen erst nach einem Jahr eine neue Batterie eingesetzt werden muss. Funkmodule in Rauchwarnmeldern beispielsweise halten mitunter sogar 10 Jahre bis zum nächsten Batteriewechsel. Den Stromverbrauch können Sie weiter senken, wenn das Funkmodul mit einer Stromsparfunktion ausgestattet ist.
Für einige Anwendungen empfehlen sich Wireless-Module, bei denen Sie Empfängerempfindlichkeit und Datenrate verstellen und Ihren Wünschen anpassen können. Daneben gibt es Modul-Platinen mit analogen Eingängen.
An diese können beispielsweise Sensoren angeschlossen werden. Sie erzeugen Messdaten, die einer Bus-Schnittstelle zugeführt und anschließend digital via Funk übermittelt werden können.
Beim Einsatz im Außenbereich oder in rauerer Umgebung ist es sinnvoll, sich mit den technischen Daten zu beschäftigen. Die angegebene IP-Schutzklasse gibt Auskunft darüber, ob beispielsweise das Gehäuse eines Handsenders ausreichend Schutz vor Staub und Nässe bietet.
Möchten Sie das Internet und möglicherweise auch Cloud-Dienste für Ihre Zwecke nutzen? Dann sollten Sie ein Einbaumodul kaufen, das Ihr Gerät IoT-fähig macht (IoT: Internet of things; deutsch: Internet der Dinge).
Unser Praxistipp: Raspberry Pi und Arduino mit Funkmodul erweitern
Einen Raspberry Pi oder Arduino können Sie kostengünstig mit einem Funkmodul aufrüsten. Damit lässt sich anschließend beispielsweise eine Lampe fernsteuern, die an eine Funksteckdose angeschlossen ist. Zur leicht bedienbaren Smart Home-Zentrale werden Raspberry Pi und Arduino, wenn Sie die Steuerungsbefehle über eine App auf dem Smartphone auslösen. Ein Netzwerk aus mehreren Mini-Computern und weiteren Geräten (z. B. Laptops, Desktop-PCs) können Sie unkompliziert über USB-Funkmodule aufbauen.
Wird für Funkmodule immer eine externe Antenne benötigt?
Nein. Ob Sie eine externe Antenne benötigen, hängt vom Einsatzzweck und den Ansprüchen an die Reichweite ab. Weitere Faktoren wie ein schlechter Empfang aufgrund von Betonwänden können ebenfalls Grund für die Anschaffung einer externen Antenne sein. Für viele Anwendungen im häuslichen Bereich reichen allerdings die Antennen aus, die bereits auf den Platinen oder im Gehäuse verbaut sind. Reichweitenstarke Funkmodule sind oft ab Werk mit abgesetzten Antennen ausgestattet, die mithilfe von Antennenkabeln an geeigneten Stellen montiert werden können (z. B. außerhalb von Gebäuden).
Wie gewährleisten Funkmodule eine sichere Kommunikation?
Digitale Funksysteme verwenden Verschlüsselungstechniken wie AES. Sind diese standardmäßig deaktiviert, können sie nach Bedarf (etwa über Software, einen Schalter oder eine Wippe) aktiviert werden. Einige Funksysteme arbeiten mit Wechselcodes (auch Rolling Codes oder Hopping Codes genannt), die sich bei jeder Betätigung des Senders ändern. Verbreitet ist das Verfahren etwa bei Kraftfahrzeugen, die mit Funkschlüsseln geöffnet werden. Auch Garagentore werden so gegen Manipulation abgesichert.
Welche Frequenzbereiche nutzen Funkmodule?
Funkmodule verwenden für die drahtlose Kommunikation bestimmte Frequenzen. Zu den am häufigsten genutzten Frequenzbändern zählt das 433-MHz-Band, das auch 433-MHZ-ISM-Band genannt wird. Es kann im Funk lizenz- und meist auch genehmigungsfrei verwendet werden. Industrie- und Heimanwendungen (Smart Home, Home Automation) nutzen für den drahtlosen Funk ISM-Bänder und übertragen RF-Signale im 433-MHz-Bereich. Weitere beliebte Frequenzen sind 27 MHz und 868 MHz. HF-Module funken auf Frequenzen im 40-MHz-Bereich.