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Die
Erfindung betrifft eine Power over Ethernet (PoE)-Anlage mit einer
unterbrechungsfreien Stromversorgung von Datenendgeräten
in Datennetzen bzw. Kommunikationssystemen mit einem Verteilerelement
mit einer Stromversorgung, an das eine Vielzahl von Netzwerkgeräten – insbesondere
Kommunikationsendgeräte – anschließbar
sind.
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Um
Netzwerkgeräte, wie zum Beispiel Netzwerkkameras, Webcams,
VoIP-Telefone, Lautsprecher, Accesspoints für drahtlose
Netze oder Kommunikationsendgeräte etc. stärker
in den professionellen und privaten Alltag zu integrieren, ist eine
Reduzierung der für den Anschluß benötigten
Kabel eine wichtige Voraussetzung.
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Die
drahtlose Datenübertragung über Technologien wie
Wireless LAN, Bluetooth und DECT ersparen zwar das sogenannte „Twisted-Pair-Kabel”, welches
zur Datenübertragung benötigt wird, jedoch ist
zur Spannungsversorgung meist ein Stromkabel erforderlich. Im Standard
IEEE 802.3af – Power over Ethernet (PoE) – erfolgt
die Stromversorgung der Netzwerkgeräte über das
Twist-Pair-Kabel, wodurch separate Kabel zur Stromversorgung entfallen
können. Dies verringert insbesondere die Kosten und den
Aufwand für die Installation durch den Netzwerkbetreiber.
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Die
Power over Ethernet (PoE) ist eine Technologie für das
drahtgebundene Internet. Am meisten verbreitet ist heute die LAN-Technologie
(LAN Aarea Network).
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PoE
ermöglicht die Bereitstellung der elektrischen Leistung,
die für den Betrieb der einzelnen Geräte benötigt
wird, über die Datenkabel statt über separate
Stromversorgungskabel, wodurch sich die Anzahl der zu verlegenden
Kabel deutlich verringert. Es entfällt somit die Notwendigkeit,
jeden Zugangsknoten des Netzwerks mit einer elektrischen Installation auszustatten
und zusätzliche Steckdosen zu installieren.
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Bekannt
ist aus der
DE
10 2004 046 401 B4 ein Kommunikationssystem, welches ein
als Verteilerelement bezeichnetes Energieversorgungsgerät aufweist,
das mit einer Stromversorgungseinheit gekoppelt ist, an das eine
Vielzahl von Netzwerkgeräten anschließbar ist.
Jedes der an dem Verteilerelement angeschlossenen Netzwerkgeräte
weist ein Netzwerkelement auf, wobei jedes Netzwerkgerät
von dem Verteilerelement mit Energie und Nachrichten versorgt wird.
Weiterhin ist in jedem Netzwerkgerät eine Baugruppe angeordnet,
die dazu eingerichtet ist, aus einem Netzwerk passiver Bauelemente
eines dieses Netzwerk charakterisierende Parameter zu ermitteln, welcher
Parameter eine Aussage über den Energiebedarf des Netzwerkgerätes
ermöglicht. Das Ermitteln kann entsprechend den Spezifikationen
des IEEE-Standards 802.3af erfolgen.
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Bei
Datennetzen, deren Ziel es ist, viele Informationen in kurzen Zeiteinheiten
zu übertragen, wobei eine optimierte Verkabelung vorgesehen
ist, die die austretenden Frequenzen möglichst dämpfungsarm übertragen,
ist das so genannte Power over Ethernet (PoE)-Verfahren bekannt.
Es ermöglicht gleichzeitig Endgeräte, wie zum
Beispiel Kameras, über eine DC-Spannung mit über
das Netzwerkkabel zu versorgen, ohne größeren
Installationsaufwand betreiben zu müssen. Hierbei werden
netzwerkfähige Geräte über das üblicherweise
8-adrige Ethernetkabel mit Strom versorgt. Ein wesentlicher Vorteil
von PoE ist, daß man ein Stromversorgungskabel einsparen
kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in
Bereichen, in denen viele Kabel stören würden,
Ethernet-angebundene Geräte installieren kann. Somit lassen
sich einerseits drastisch Installationskosten einsparen, andererseits kann
der damit einfach zu realisierende Einsatz einer zentralen unterbrechungsfreien
Stromversorgung die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte
erhöhen.
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Eine
unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) von Netzwerkkomponenten
läßt sich bisher nur durch die Kombination mehrerer
separater Geräte realisieren. Eine Variante ist der Einsatz
einer herkömmlichen USV-Anlage, welche die jeweiligen Endgeräte
durch das Stromnetz über mehrere Netzteile versorgt, wobei
bei dieser Kombination die Datenverbindung der einzelnen Netzwerkgeräte
immer noch getrennt von der Stromversorgung umgesetzt wird und auch
keine zentrale Kontroll- und Steuereinheit zur Verfügung
steht.
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Eine
zweite Variante ist die Zusammenstellung mit USV-Anlage und einem
PoE-Injektor. Hierbei wird nur noch der PoE-Injektor auf herkömmliche Weise
von der USV-Anlage mit Strom versorgt. Alle anderen Komponenten
beziehen ihre Energie über das Ethernet-Kabel. Diese Möglichkeit
bietet für die Endgeräte zwar eine Versorgung
mit Strom und Daten über eine Leitung, jedoch fehlt auch
hier eine zentrale überwachungs- und Steuerungseinheit.
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Sowohl
die eben vorgestellten Lösungen als auch die zur Anmeldung
vorgelegte PoE-USV lassen sich natürlich mit aktiven Komponenten,
wie zum Beispiel einen Ethernet-Switch, kombinieren und erweiten,
um gewohnte Netzwerkfunktionalitäten zu realisieren.
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Alle
bisherigen Lösungen bestehen aus mindestens zwei separaten
Komponenten und einer großen Menge an Kabelmaterial. Sie
sind somit nicht sonderlich platzsparend, wenn man bedenkt, daß die mit
Strom zu versorgenden Endgeräte (im jeweiligen Einsatzort)
auch irgendwo untergebracht werden müssen. Dementsprechend
ist auch der Installations- und Planungsaufwand ziemlich hoch.
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Bei
allen bisherigen Lösungen fehlt es an der Möglichkeit,
die Stromversorgung des „Netzwerks”, insbesondere
die jeder einzelnen Netzwerkskomponente, zentral zu überwachen
und zu steuern. Keine derzeitige USV-Umsetzung ist in der Lage,
den Ausfall eines angeschlossenen Gerätes separat zu registrieren.
Auch die Möglichkeit einer Fernwartung ist wegen fehlender
oder unzureichender Komponenten bei den bisherigen Lösungen
nicht gegeben. Somit kommen auf einen Betreiber zum Beispiel bei
unspezifischen Ausfällen einzelner Geräte hohe
Wartungskosten zu, da nur ein Vor-Ort-Service möglich ist.
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Kommunikationsgeräte
benötigen meist unterschiedliche Versorgungsspannungen.
Bisherige USV-Lösungen sind jedoch nicht in der Lage, ihre einzelnen
Stromanschlüsse separat zu regulieren und zu steuern. Somit
ist die gleichzeitige Bereitstellung und Anpassung verschiedener
Spannungsausgänge nicht möglich. Dies kann auch
die Lebensdauer der angeschlossenen Endgeräte negativ beeinflussen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Power over Ethernet (PoE)-Anlage mit
einer unterbrechungsfreien Stromversorgung von Netzwerkkomponenten
zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe einzelne Stromanschlüsse
separat reguliert und/oder gesteuert werden können und
dies bei gleichzeitiger Bereitstellung und Anpassung verschiedener
Spannungsausgänge.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruches.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen sowie im
nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Die
Erfindung betrifft eine Power over Ethernet (PoE)-Anlage zur unterbrechungsfreien
Stromversorgung von Netzwerkkomponenten (z. B. Router, Webcam, VoIP-Telefon,
Accesspoint, etc.) und anderer (im Outdoor-Bereich einsetzbarer)
Kommunikationstechnik über die bestehende Ethernet-Installation.
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Die
PoE-USV vereint Netzteil, Stromverteiler, PoE-Injektor, USV-Anlage
und eine Überwachungs-/Steuerungseinheit in einem Gerät,
wobei jedes angeschlossene Endgerät separat überwacht werden
kann. Ein integriertes GSM-Modem sowie eine zusätzliche
Ethernet-Schnittstelle ermöglichen sowohl die Verwaltung
des Geräts per Fernzugriff (z. B. über Webbrowser
oder per SMS), als auch die Kommunikation der USV nach außen
(z. B. Ereignismeldung bei Stromausfall), wobei die gesamte Konstruktion
auch weitere Schnittstellen (z. B. seriell) für den direkten
Zugriff bietet, um eine Steuerung und Überwachung vor Ort
zu gewährleisten.
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Die
Po-E-USV dient zur Realisierung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung
von Kommunikationstechnik, welche über die bestehende Ethernet-Installation
mit einer Gleichspannung versorgt wird. Die Standardversion unterstützt
nur Geräte mit nicht IEEE 802.3af-2003 kompatiblen Anschlüssen und
liefert einen Spannungs-Output von ca. 18 V bis 24 V. Optional kann
die PoE-USV mit entsprechender Modifikation auch als aktiver PoE-Versorger
fungieren und IEEE 802.3af-2003-fähige Endgeräte
versorgen.
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Es
zeigen
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1 – Power
over Ethernet (PoE)-Anlage
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2 – Darstellung
der Komponenten der Power over Ethernet (PoE)-Anlage
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3 – Basisleiterplatte
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4 – Power
over Ethernet (PoE)-Baugruppe
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5 – Stromversorgungsgerät
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6 – internes
Routerboard
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Die 1 zeigt
eine Power over Ethernet (PoE)-Anlage mit unterbrechungsfreier Stromversorgung
in einer Beispielkonfiguration. Diese Anlage ist in einem Einschubgehäuse
untergebracht und umfaßt im wesentlichen die Power over
Ethernet (PoE)-Baugruppen 1 und 2, ein Terminal 3,
die Stromversorgung 7 der externen Endgeräte,
den Monitor 9, die Stromeinspeisung (230 V) 10,
das Akku-Board 14 mit den Akkumulatoren 15, den
internen Routerboard 13 und ein internes Netzteil 17.
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Weiterhin
sind die Anschlüsse für das Ethernet 4,
für die externen Temperatursensoren 5, 5,
der SIM-Card-Reader GSM 11 mit einer Antenne GSM 12 und
Netzwerkbuchsen 16 vorgesehen.
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Die 2 zeigt
eine Darstellung der Komponenten der Power over Ethernet (PoE)-Anlage
mit unterbrechungsfreier Stromversorgung. Die Komponenten bestehen
aus einem oder mehreren Power over Ethernet (PoE)-Ports – 4 –,
einer Basisleiterplatte A – 3 –,
einer internen Stromversorgungseinheit C – 5 –,
sowie einem internen Routerboard D – 5 –.
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Die
Basisleiterplatte (BLP) A weist einen Mikrocontroller μC
mit Speicher FRAM, einer Echzeituhr RTC und einem Temperatursensor
an Board auf.
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Weiterhin
ist eine CAN Schnittstelle CAS-SS zur Anbindung der Power over Ethernet
(PoE)-Baugruppen 1, 2 und anderen Endgeräten,
ein Monitor MON mit Leuchtdioden und Tastern, einer Schnittstelle
RS-232-TERM zum Anschluß beispielsweise an einen PC und
eine Ethernet-Schnittstelle ETH-SS zur Parametrierung, Statusabfrage
etc. eines GSM-Modems zur drahtlosen Datenübertragung beispielsweise
des Status, der Steuerung der Funktion, Schwellwertfestlegung etc.,
einer Schnittstelle des GSM-Modems GSM-Modem-SS zur Anbindung eines
SIM-CARD-Readers, einer Antenne, einen Laderegler für den
Pufferakkumulator AKKU-LORD, einen Interface zur Pufferakkumulatorenschaltung
AKKU-IF und Mikrocontroller μC zur Erfassung der Endlagendetektion,
Akkutemperatur etc., einer Stromversorgung App.-STV-INTERN für
interner User-Endgeräte, beispielsweise 5 V/12 V/18 V/24
V max. 5 W, einer Stromversorgung STV-PoE für die Power
over Ethernet (PoE)-Baugruppen 1, 2 mit einer
Rohspannung, z. B. 18 V/24 V 5 W, einer internen Stromversorgung
SYS-STV-INTERN z. B. 3,3 V/3,6 V + 5 W sowie einen Stromversorgungseingang
STV-INPUT-SYSTEM zur Spannungsaufbereitung, Step-down- bzw. Step-up-Regler.
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Die
Komponente B – Power over Ethernet (PoE)-Baugruppe 1, 2 weist
einen PoE-Port, beispielsweise 2 × 4RJ45 Buchsen mit oder
ohne LED zur Adaption der Endgeräte mit PoE-Einspeisung/Datenübertragung,
einem Mikrocontroller μC mit Speicher FRAM, einem Temperatursensor
an Board zur Steuerung und Überwachung der PoE-Stromversorgung,
einer Strom-/Spannungs-Meßeinrichtung Power Control sowie
eine CAN-Schnittstelle CAM-SS-PoE zur Anbindung an die Basisleiterplatte
(BLP) und anderen Endgeräten.
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Die
interne Stromversorgung 17 (Komponente C) ist einerseits
mit einer Spannungsquelle (230 V/AC) und andererseits mit den Akkumulatoren 15 (24
V/DC) verbunden.
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Das
interne Routerboard (Komponente D) weist ein Application-Endgerät
des Users (intern) USER-Application sowie die Ethernet-Schnittstellen Eth!
bis Eth4 und die Schnittstelle SS-RS232 auf.
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Im
Normalbetrieb wird das Gerät über eine Wechselspannung
zwischen 90 V und 240 V bei 50 Hz/60 Hz versorgt. In diesem Zustand
erfolgt die Energieversorgung der angeschlossenen Geräte
aus der Netzeinspeisung, wobei der eingebaute Akku 15 parallel
geladen wird. Der sogenannte Notbetrieb wird durch den Wegfall der
Wechselstromversorgung ausgelöst.
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Bei
Wiederkehr der Netzspannung wird in den Normalbetrieb zurück
gewechselt. Im Notbetrieb erfolgt die komplette Energieversorgung
der Power over Ethernet (PoE)-Anlage und der angeschlossenen Geräte
aus dem Akku. Die Endgeräte selbst werden mit einer Gleichspannung
versorgt, wobei es folgende Anschlußmöglichkeiten
gibt:
- • Interner Anschluß mit
5 V/12 V/18 V/24 V bis max. 1 A, bei 5 V, begrenzt auf 5 W
- • Externer Anschluß mit 5 V/12 V/18 V/24 V
bis max. 1 A, bei 5 V, begrenzt auf 5 W
- • PoE-Versorgung:
- • Modul mit jeweils 4 PoE-Ports, wobei die PoE Portanzahl
auf Wunsch zwischen 1 bis n Ports variieren kann
- • Ausgangsspannung pro Port zwischen 18 V und 24 V
bei max. 0,5 A
- • PoE 24 V nur bei Netzbetrieb, bei Akkubetrieb wird
maximal die Akku-Spannung abzüglich der Abfälle
an den Halbleiterstrecken bereitgestellt, bei Speisung aus einem
Solarenergiepaket gelten ähnliche Randbedingungen wie bei
Akkubetrieb
- • PoE 18 V wird mit einem zentralen Abwärtsregler
stabilisiert
- • Einstellung des maximalen Stromes auf jedem 4 × PoE-Modul
werkseitig
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Die
Einstellung der Ausgangsspannungen kann zum Beispiel über
einen Kodierstecker erfolgen. Ebenso ist der Einsatz mehrerer PoE-Module
in einer unterbrechungsfreien Stromversorgung möglich,
wobei zur Zeit höchstens 0,5 A pro Port wegen der Stromtragfähigkeit
der Cat5-Kabel möglich ist.
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Die
Stromversorgung der PoE-USV ist optional auch über einen
externen Akku oder auch über ein Solar-Pack mit integrierter
Laderegelung über die Power over Ethernet (PoE)-Anlage
als Zusatzmodul möglich.
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Jeder
einzelne Verbraucherabzweig verfügt über getrennte
Steuer- und Überwachungsfunktionen. Die Endgeräte
können einzeln zu- und abgeschaltet werden. Im Normalfall
(keine Störung) werden alle Verbraucher gleichberechtigt
zugeschaltet. Für jeden Verbraucher wird die Stromaufnahme überwacht
und die Ausgangsspannung gemessen. Bei dauerhafter Überschreitung
der maximalen zulässigen Stromaufnahme pro Verbraucher
wird die Stromversorgung dieses Verbrauchers abgeschaltet. Ein erneutes
Zuschalten der Versorgung für diesen Verbraucher erfolgt
nur nach einem Neustart oder durch ein entsprechendes Kommando über
eine der Serviceschnittstellen (zum Beispiel 9-poliger D-SUB).
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Die Überbrückungszeit
bei Ausfall der Netzstromversorgung beträgt ca. 3 h bei
4 belegten PoE-Ports mit max. 0,5 A und genutztem internem und externem
Stromversorgungsanschluß. Die reale Überbrückungszeit
hängt jedoch von konkreten Lastbedingungen ab.
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Die
Power over Ethernet (PoE)-Anlage besteht aus mehreren Baugruppen,
insbesondere einer Basisleiterplatte mit aufgestecktem GSM-Modem und
1 oder mehreren PoE-Baugruppen für jeweils 4 PoE-Ports,
wobei die PoE Portanzahl auf Wunsch zwischen 1 bis n Ports variieren
kann, sowie Netzteil und Akku. Optional läßt sich
ein Routerboard integrieren. Sämtliche Baugruppen sind
als Platine für open-frame-Anwendungen konzipiert. Die
einzelnen Baugruppen sind noch einmal in folgendem Schema dargestellt,
wobei die mit einer Nummer gekennzeichneten Bauelemente separat
aufgelistet werden.
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Die
lokale Parametrierung erfolgt über eine Terminalschnittstelle.
Zur Verbindung zwischen Rechner und der unterbrechungsfreien Stromversorgung
wird ein D-Sub (9-polig) Nullmodemkabel verwendet. Über
diese Schnittstelle können sämtliche Informationen über
den aktuellen Betriebszustand und die aktuellen Werte der Parameter
der Power over Ethernet (PoE)-Anlage abgerufen werden.
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Die
Power over Ethernet (PoE)-Anlage kann bei verschiedenen per Konfiguration
auswählbaren Ereignissen eine Signalisierung auslösen.
Die Menge der verfügbaren Signalisierungen hängt
von der Gerätekonfiguration ab.
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Standardmäßig
erfolgt eine Ausgabe der Ereignismeldungen über die lokale
serielle Schnittstelle. Zusätzliche Signalisierung per
SMS oder SMTP (Mail) sind über das integrierte GSM-Modem
bzw. die zusätzlichen Ethernet-Schnittstellen möglich,
wobei auch eine teilweise Steuerung der Gerätefunktionen über
SMS realisiert werden kann.
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Durch
den Einsatz eines integrierten Webservers ist ebenso eine Parametrierung
und Überwachung per Webbrowser möglich. Der Zugriff
auf den Webserver wird durch ein Paßwort geschützt.
Es wird eine Bedienoberfläche zur Verfügung gestellt,
die den Zugriff auf sämtliche Informationen und Befehle, die über
die lokale Schnittstelle zur Verfügung stehen, ermöglicht.
Dadurch ist auch eine Erweiterung der Signalisierungsmöglichkeit
per http gegeben.
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Zusammengefaßt
sind hier noch einmal die Grundfunktionen der PoE-USV aufgeführt:
- • Steuerung der Stromversorgung der
Endverbraucher, sowie Schutz vor Kurzschluß bzw. Überlast
an allen Ausgängen
- • Ladung des Akkus sowie Schutz vor Tiefentladung im
Notbetrieb
- • Umschaltung zwischen den zwei Betriebsfällen-Netz
EIN bzw. AUS
- • Monitorschnittstelle auf dem seriellen Port zur Diagnose
und Parametrierung
- • Eingangsspannung DC
- • Akkuspannung
- • Akkustrom
- • Strom an den Ports und Ausgängen
- • Gerätestatus
- • Anzeige der Betriebszustände über
LEDs
- • Line-In
- • Betrieb vom Akku
- • Akku defekt
- • für alle PoE-Verbraucher je eine LED „Ausgang OK”
- • Übertragung der Ereignismeldung per SMS
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Folgende
Zusatzfunktionen werden ebenfalls realisiert:
- • Übertragung
der Ereignismeldung per SMTP (E-Mail)
- • Teilweise Steuerung der Gerätefunktionen
per SMS
- • Port EIN/AUS/RESET
- • Abfrage Gerätestatus
- • Parametrierung für die oben aufgeführten
Funktionen
- • Übertragung der Statusinformationen über
http (embedded Webserver), zwecks Ferndiagnose und Fernparametrierung
- • Schreiben von LOG-Files für die Ereignisse
und lesen der LOG-Files über lokale Konsole oder HTTP
- • Einbindung der Temperatursensoren, Ereignishandling
und Schwellen für Warnung und Abschaltung
- • Autarke Stromversorgung mit Photovoltaik sowie eine
Laderegelung über die Power over Ethernet (PoE)-Anlage
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Die
Power over Ethernet (PoE)-Anlage ist durch die Kombination mehrerer
Komponenten, wie Netzteil, Stromverteiler, PoE-Injektor, USV-Anlage und
einer Überwachungs-/Steuerungseinheit, eine sehr platzsparende
Lösung und somit in vielseitiger in unterschiedlichsten
lokalen Bedingungen einsetzbar und spart auch enorme Kosten sowie
Aufwand bei Planung und Installation.
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Ein
zweiter großer Vorteil ist die Möglichkeit der
Fernwartung durch die verschiedenen integrierten Kommunikationsschnittstellen,
wie Ethernet oder GSM. Besonders interessant wird dies beim Outdoor-Einsatz
in Gebieten, welche kommunikationstechnisch noch nicht ergiebig
erschlossen sind und wo die Belieferung mit zum Beispiel DSL nur über
Funkstationen realisiert werden kann, die Kilometer voneinander
entfernt stehen. Beim Ausfall zum Beispiel eines Funk-Routers muß somit
nicht immer ein Service-Techniker einen zeit- und kostenintensiven
Weg auf sich nehmen, um eventuell nur das entsprechende Gerät
wieder neu zu starten. Damit ergibt sich für die Power
over Ethernet (PoE)-Anlage auch ein enormes Einsparungspotential
im Bereich der Wartungskosten.
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Ein
weiterer Vorteil ist die hohe Konfigurierbarkeit des Systems. Die
Power over Ethernet (PoE)-Anlage läßt sich an
unterschiedlichsten Anforderungen und Hardwarebedingungen anpassen
und bietet eine optimale Versorgung der angeschlossenen Endgeräte.
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- 1
- Power
over Ethenet-Baugruppe [POE-BG] – 1
- 2
- Power
over Ethenet-Baugruppe [POE-BG] – 2
- 3
- RS232-Terminal
- 4
- Ethernet
- 5
- externer
Temperatursensor 1
- 6
- externer
Temperatursensor 2
- 7
- Stromversorgung
externe Endgeräte
- 8
- Einspeisung
24 VDC aus externer Speisequelle (z. B. Solarstation)
- 9
- Monitor
(2 × Taster, 4 × LED)
- 10
- 230
V AC Einspeisung
- 11
- SIM-Card-Reader
GSM
- 12
- Antenne
GSM
- 13
- Routerboard
intern
- 14
- AKKU-Board
(Akkuspannung, Endlage, Temperatur)
- 15
- Akkumulatoren
2 × 12 V, 12 Ah
- 16
- Netzwerkbuchsen
(Routerboard intern)
- 17
- Netzteil
intern
- USV
- Unterbrechungsfreie
Stromversorgung
- PoE
- Power
over Ethernet
- VoIP
- Voice
over IP
- GSM
- Global
System for Mobile Communications
- SMS
- Short
Message Service
- HTTP
- Hypertext
Transfer Protocol
- SMTP
- Simple
Mail Transfer Protocol
- DSL
- Digital
Subscriber Line
- LED
- Light
Emitting Diode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004046401
B4 [0006]