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Über dieses Buch

Mit drahtlosen Sensor-/Aktor–Netzwerken (DSAN) können kostengünstig Netzwerke für Mess- und Steueraufgaben in Bereichen wie z. B. Umwelt- und Katastrophenschutz, Medizin oder Home-Automation aufgebaut werden. Die ZigBee-Allianz beschreibt in ihrer ZigBee-Spezifikation einen Stack mit allen erforderlichen Funktionen für ein solches Netzwerk. Das Buch behandelt alle relevanten Themen, die für die Realisierung eines DSANs nach der ZigBee-Spezifikation notwendig sind. Nach dem Durcharbeiten ist der Leser in der Lage ein DSAN zu konzipieren, Funkmodule mit Sensoren und Aktoren aufzubauen und ein stabiles Funknetz zu installieren.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Die Möglichkeit über Sensoren Messwerte und andere Informationen aus der Umgebung zu erfassen und per Funkwellen an einen Zielrechner zu übertragen oder Steuerinformationen von einem fest installierten Rechner an einen Aktor zu senden, eröffnet ein sehr großes Einsatzspektrum. Denkbare Einsatzgebiete sind z.B. in der Gebäudeautomation, im Gesundheitswesen, in der Umwelttechnik oder in der Warenwirtschaft, um nur einige Gebiete zu nennen. Drahtlose Sensor-/Aktor-Netzwerke (kurz DSAN oder engl. auch WSN) bieten eine extrem hohe Flexibilität und können nicht nur schnell und kostengünstig installiert werden, sondern sind vielfach auch die einzige Möglichkeit Daten über autonome Funksensoren zu erfassen und an einen Zielrechner zu übertragen oder Aktoren von einem Rechner aus zu steuern. Großflächige Messungen (z.B. auf dem Meer) sind mit kabelgebundener Technik nicht oder nur sehr schwer zu realisieren.
Markus Krauße, Rainer Konrad

2. Einführung in drahtlose Sensor-/Aktor-Netzwerke

Ein drahtloses Sensor-/Aktor-Netzwerk ist ein aus räumlich verteilten autonomen Geräten aufgebautes System, das entweder über Sensoren physikalische Größen aus der Umwelt erfasst oder mit Aktoren die Umgebung beeinflusst. Diese autonomen Geräte oder auch Knoten bilden zusammen mit Routern und einem Gateway ein typisches Drahtlose Sensor- /Aktor-Netzwerke (DSAN). Die verteilten Knoten kommunizieren drahtlos per Funkwellen z.T. über Router mit einem zentralen Datensammelpunkt (in ZigBee meist der Koordinator), der eine Verbindung zu drahtgebundenen Geräten bietet. Dort können Anwender u. A. ihre Messdaten speichern, verarbeiten, analysieren, visualisieren oder in Abhängigkeit der Messergebnisse und Informationen Aktoren steuern. Die per Funk kommunizierenden Geräte können entweder Teil eines festen, Infrastruktur-basierten Netzes oder auch Teil eines selbst organisierenden Ad-hoc Netzes sein. Ein Ad-hoc Netz ist ein sich selbst konfigurierendes Multihop-Netzwerk, welches aus mobilen Knoten besteht und drahtlos aufgebaut ist.
Markus Krauße, Rainer Konrad

3. Grundlagen Übertragungstechnik

Ein wichtiger Parameter für die Reichweite einer Funkübertragung ist die Sendeleistung. Eine höhere Sendeleistung führt unter sonst gleichen Gegebenheiten unmittelbar zu größerer Reichweite. Generell soll die Sendeleistung so gering wie möglich gehalten werden, einerseits um Energie zu sparen und andererseits um nicht unnötig viel Interferenz für andere Funkeinheiten zu erzeugen. Kurz gesagt, so wenig Sendeleistung wie möglich und so viel wie nötig für eine zuverlässige Verbindung. In dem folgenden Kapitel werden wird uns deshalb mit einigen grundlegenden Eigenschaften und Einflussfaktoren der drahtlosen Kommunikation beschäftigen.
Markus Krauße, Rainer Konrad

4. Sicherheit und Zuverlässigkeit in WSN

Die Kommunikation erfolgt in ZigBee-WSNs und vergleichbaren WPAN-Systemen über Funk. Dadurch bestehen grundsätzlich die Gefahren der Abhörbarkeit, der Manipulation von Daten, des unerlaubten Zugangs zum Netzwerk und der möglichen Störbarkeit der Übertragung (vorsätzlich oder nicht). In Sensor- /Aktor-Netzwerken werden Messdaten erfasst und übertragen oder Steuerbefehle an Aktoren gesendet. Diese Daten sollen in der Regel sicher und zuverlässig übertragen werden. Werden beispielsweise Gesundheitsdaten eines Patienten über am Körper angebrachte Sensoren erfasst und über ein WSN an einen Zielrechner übertragen, muss bei kritischen oder persönlichen Daten gewährleistet sein, dass diese zuverlässig übertragen, unverändert ankommen und nicht von Dritten ausgewertet werden können. Dies gilt grundsätzlich für alle Messdaten, besonders für sicherheitsrelevante oder kritische Daten deren Verlust oder Manipulation folgende schwerwiegende
Konsequenzen nach sich ziehen würden:
• Verlust von Menschenleben,
• Verletzung oder Gesundheitsgefährdung von Menschen,
• schwerwiegende Schädigung der Umgebung,
• bedeutender Verlust der Systemeigenschaft bzw. Systemzerstörung,
• Nichterfüllung einer wichtigen Aufgabe und
• großer wirtschaftlicher Verlust.
Markus Krauße, Rainer Konrad

5. Hardware für ZigBee Komponenten

ZigBee Komponenten werden von unterschiedlichen Herstellern Angeboten. Die Hardwareanbieter bzw. Hersteller können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden. Zum einen die Chiphersteller, diese bieten im Idealfall zertifizierte ZigBee MCUs, den freien Zig- Bee Stack Quellcode und eine Entwicklungsumgebung an und zum anderen die Hersteller von fertig aufgebauten ZigBee-Geräten, die einsatzbereite, z.T. programmierbare z.T. aber auch nur konfigurierbare Komponenten anbieten. Die Hauptunterschiede der verschiedenen Zigbee MCUs liegen in den Frequenzbereichen, den Sendeleistungen, den Eingangsempfindlichkeiten und der Anzahl und der Art der I/O Kanäle (digital, analog). Das Frequenzband 2;4 GHz ist weltweit lizenzfrei, deshalb werden in diesem Band die meisten MCUs und Funkmodule angeboten. Die Frequenzbereiche 868MHz (Europa), 915MHz (USA), 314/430/779 MHz (China) und 950MHz (Japan) sind nur national lizenzfreie Frequenzbänder. Deshalb ist die Auswahl bzw. das Angebot an Funkmodulen und MCUs in diesen Frequenzbereichen gering. Die Ausgangsleistungen der hier recherchierten ZigBee MCUs im 2;4 GHz Bereich liegen bei bis zu 25 dBm und im 868MHz Bereich bei bis zu 11 dBm. In der Regel ist die Sendeleistungen eines ZigBee-Moduls einstellbar. Dies erlaubt zum einen eine Anpassung an eine Anwendung und zum anderen eine Anpassung an die verschiedenen gesetzlich erlaubten Ausgangsleistungen. Das z.Zt. die meisten ZigBee-Module und Geräte mit einer Ausgangsleistung von 0-3 dBm Angeboten werden, liegt an dem verbreitetsten Einsatzgebiet, der Gebäudeautomation, bei der in der Regel nur kurze Reichweiten benötigt werden.
Markus Krauße, Rainer Konrad

6. Aufbau von programmierbaren Sensor-Funkmodulen

Wie in Kapitel 6 bereits beschrieben existieren Funkmodule für drahtlose Sensornetzwerke von unterschiedlichsten Herstellern. Atmel bietet u.A. ZigBee-Lösungen mit den Modulen ZigBit ATZB-900-B0 (868 MHz), ZigBit ATZB-24-A2 (2;4 GHz), ZigBit ATZB-24- B0 (2;4 GHz), ATZB-A24-UFL (2;4 GHz), ATZB-A24-U0R (2;4 GHz), ATZB-S1-256-3 (2;4 GHz) und ATZB-X0-256-3 (2;4 GHz) an. Für all diese Module bietet Atmel kostenlose und frei programmierbare Softwarestacks an. Ein Softwarestack, der den IEEE 802.15.4 Standard erfüllt ist der Atmel IEEE 802.15.4MAC-Stack. Der BitCloud-Stack baut auf den MAC-Stack auf und erweitert diesen, so dass er das Stackprofil ZigBee Pro der ZigBee- Spezifikation erfüllt. Wir werden am Beispiel des ZigBit-Chips ATZB-24-A2 von Atmel zeigen, wie ein drahtloses Sensornetzwerk realisiert werden kann. Für die anderen angebotenen ZigBit-Module, ist die Implementierung der Anwendungen fast identisch, lediglich die Hardwareschichten der Stacks sind anzupassen. Hier wird der Aufbau eines Funkmoduls beschrieben, das abhängig von der Programmierung sowohl als ZigBee Koordinator, -Endgerät und -Router, als auch als MAC FFD oder als MAC RFD programmiert und betrieben werden kann. Des weiteren werden 2 Möglichkeiten von UART-USB Schnittstellen beschrieben mit denen ein Funkmodul mit dem PC verbunden werden kann. Über diese Schnittstelle kann das kabellose Sensor/Aktor-Netzwerk mit einem PC oder einem Smartphone Daten oder Steuerinformationen austauschen.
Markus Krauße, Rainer Konrad

7. AVR Studio, WinAVR, BitCloud, WSNDemo

Zu einer zertifizierten ZigBee Lösung gehören sowohl die Hardwarekomponenten (ZigBee- MCU) als auch die entsprechende Softwareimplementierung (ZigBee-Stack). Für die in Kapitel 7 beschriebenen Funkmodule von Atmel heißt die Implementierung des ZigBee- Stacks BitCloud. Auf Basis dieser Implementierung werden wir in späteren Kapiteln eigene Anwendungen programmieren. Allgemeine Informationen und die aktuelle Version von BitCloud sind auf der Webseite von Atmel zu finden. Für unsere Module benötigen wir das BitCloud SDK for ZigBit/ZigBit Amp/ZigBit 900 modules and RCBs. Unsere Programmierbeispiele und diese Anleitung beziehen sich auf die BitCloud Version 1.14. Heruntergeladen werden kann diese Version direkt über den Link www.atmel.com/images/ BitCloud_ZIGBIT_1_14_0.zip. Sollte der Link nicht mehr funktionieren, wenden sie sich gegebenenfalls an den hilfsbereiten technischen Support von Atmel. Der BitCloud-Stack enthält neben dem Sourcecode für den ZigBee-Stack auch Beispielprogramme und entsprechende Projektdateien. In diesem Kapitel wird die Installation der Entwicklungsumgebung AVRStudio 6.1 und des Cross-Compilers WinAVR und die Inbetriebnahme der in Kapitel 7 beschriebenen Funkmodule mit dem Beispielprogramm WSNDemo beschrieben.
Markus Krauße, Rainer Konrad

8. IEEE 802.15.4

Der Standard IEEE 802.15.4 ist eine Spezifikation des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) für einfache und kostengünstige drahtlose Netzwerke, die nur geringe Übertragungsraten benötigen. Mittlerweile gibt es eine Reihe von drahtlosen Netzwerktypen wie z.B. Bluetooth und WLAN, so das die Frage berechtigt ist, wofür ein weitere Standard notwendig ist. Sowohl Bluetooth als auch WLAN sind für hohe Datenübertragungsraten ausgelegt. Beide dieser Standards haben sich etabliert und erfüllen unterschiedliche Zwecke. Ein Nachteil dieser Standards ist, dass sie für viele Einsatzbereich überdimensioniert sind. In drahtlose Sensornetzwerke genügt es z.B. in bestimmten Zeitintervallen wenige Bytes an Informationen zu übertragen. Die meiste Energie verbraucht ein Funkmodul beim Senden. Bluetooth und WLAN benötigen durch ihren komplexen Aufbau zum Übertragen dieser Daten jede Menge Steuerinformationen. Ebenfalls sind die Anforderungen an die Hardware recht hoch, um so komplexe drahtlosen Netzwerkprotokolle zu implementieren. Der IEEE 802.15.4 Standard schafft hier Abhilfe. Durch Vermeidung überflüssiger Steuerinformationen wird die eigentliche Übertragungszeit in IEEE 802.15.4-Netzen sehr gering gehalten. IEEE 802.15.4-Netze lassen sich dadurch mit sehr günstiger und einfacher Hardware realisieren und verbrauchen dabei wenig Energie.
Markus Krauße, Rainer Konrad

9. IEEE 802.15.4 PHY-Schicht

Die PHY-Schicht bildet die Schnittstelle zur Hardware die letztendlich für das Senden und Empfangen von Daten verantwortlich ist. Hierzu zählt insbesondere die Daten eines empfangenes Signal interpretieren zu können bzw. ein Signal so zu senden, dass es der Empfänger interpretieren kann. Dies ist keine ganz triviale Aufgabe. Der Empfänger muss aus einer Folge von übertragen Bits z.B. den Anfang eines Frames eindeutig erkennen können. Ebenso deckt der IEEE 802.15.4-2011 Standard viele unterschiedliche Modulationstechniken und Sendefrequenzen ab.
Markus Krauße, Rainer Konrad

10. IEEE 802.15.4 MAC-Schicht

Während die PHY-Schicht für die technische Realisierung der Datenübertragung zuständig ist, übernimmt die MAC-Schicht die Aufgaben für eine zuverlässige Kommunikation in einem Funknetzwerk. Hierzu zählt unter anderem die Verwaltung eines Netzwerks, eindeutige Adressierungen und Datenübertragung an ausgewählte Funkmodule. Ein solches drahtloses Netzwerk für kurze Reichweiten wird als PAN bezeichnet.
Markus Krauße, Rainer Konrad

11. Atmel IEEE 802.15.4 MAC-Stack

Der Atmel IEEE 802.15.4 MAC-Stack ist eine Implementierung des IEEE 802.15.4 Standards. Der Stack liegt zur Zeit in Version 2.8.0 vor und erfüllt die Spezifikation des IEEE 802.15.4 Standards von 2006 ([IEEE06]). Atmel bietet eine Reihe von Transceivern und Ein-Chip-Lösungen für die Frequenzen und Modulationen des IEEE 802.15.4 Standards an, welche ebenfalls vom Atmel MAC-Stack unterstützt werden. Darunter fallen die Transceiver AT86RF212, AT86RF230, AT86RF231, AT86RF232 und AT86RF233, sowie die Ein-Chip-Lösungen ATmega128RFA1 und ATmega256RFR2. Zudem unterstützt der Stack etliche der hauseigenen Mikrocontrollerfamilien (AVR, AVR32, XMEGA, SAM3, ARM7). Der Stack benötigt einigen Speicherplatz und die damit zu entwickelnde Anwendung benötigt weitere Ressourcen, so dass der kleinste unterstützte Mikrocontroller 64 kB Flashspeicher besitzt. Im Allgemeinen werden für IEEE 802.15.4 Anwendungen Mikrocontroller mit mindestens 128 kB Flashspeicher benutzt. Atmels MAC-Stack unterstützt Sternund Peer-to-Peer-Netzwerke, Netzwerke mit Superframestruktur und die Absicherung von Netzwerken durch Sicherheitsfunktionen. Der Stack lässt sich individuell an die Bedürfnisse der zu entwickelnden Anwendungen anpassen, insbesondere lassen sich nicht benötigte Funktionalitäten abschalten um Ressourcen zu sparen. Es stehen verschiedene Beispielanwendungen für verschieden Szenarien zur Verfügung, die für eigene Anwendung adaptiert werden können.
Markus Krauße, Rainer Konrad

12. IEEE-802.15.4-Sniffer mit µracoli und Wireshark

μracoli ist eine Bibliothek für Transceiver von Atmel in Verbindung mit 8-Bit AVR Mikrocontrollern. Für uns ist hierbei besonders das Paket uracoli-sniffer interessant, mit dem IEEE-802.15.4-Datenverkehr empfangen und protokolliert werden kann. Für Funkmodule mit einem ZigBit-Chip stellt das Paket eine Firmware zur Verfügung, die diesen Datenverkehr empfängt und über die serielle Schnittstelle ausgibt. Eine in der Programmiersprache Python realisierte Serial-Zu-Wireshark-Bridge liest die über die serielle Schnittstelle ankommenden Daten ein, wandelt diese in das pcap-Format um und stellt diese Daten über eine Pipe dem Netzwerkanalyseprogramm Wireshark zur Verfügung. Anschließend kann der erhaltenen Datenverkehr mit dem Programm Wireshark analysiert werden. Die Snifferanwendung ist Plattform-unabhängig, benötigt als Basis allerdings die Laufzeitumgebung Python inklusive dem Modul pyserial, welches den Zugriff auf die serielle Schnittstelle ermöglicht. Um die protokollierten Daten auswerten zu können, benötigen wir zudem das Netzwerkverkehranalysetool Wireshark. Wir werden hier die Installation der zur Zeit aktuellen Version der Sniffersoftware μracoli Version 0.4.2 unter einem Windows Betriebssystem erklären.
Markus Krauße, Rainer Konrad

13. ZigBee

Die 2002 gegründete ZigBee Allianz ist ein Zusammenschluss von Industrieunternehmen, mit dem Ziel, offene weltweite Standards für Funknetze bereitzustellen, die für Überwachungs- und Steuerungsaufgaben eingesetzt werden können. 2004 wurde von der ZigBee Allianz die erste Version der ZigBee-Spezifikation [Zig04] vorgestellt. Inzwischen gilt diese mittlerweile unter dem Namen ZigBee 2004 bekannte Version als veraltet. Sie wurde im Dezember 2006 von der ZigBee-Spezifikation ZigBee 2006 [Zig06] abgelöst. Im Jahr 2007 hat die ZigBee Allianz die überarbeitet Spezifikation ZigBee 2007 [Zig08a] herausgebracht, in der auch die zwei folgenden Erweiterungen eingearbeitet wurden (siehe auch [Aki]):
Fragmentierung: Ist diese Funktionalität aktiviert, wird ein zum Versenden zu großes Datenpaket automatisch in mehrere kleine Pakete aufgeteilt und hintereinander versendet.
Netzwerkfunkkanalmanager: Ein ausgewiesenes Funkmodul fungiert als Netzwerkfunkkanalmanager und fordert permanent von anderen Funkmodulen Netzwerkbericht über Interferenzen an. Gibt es im Funkkanal zu viele Interferenzen, wählt der Netzwerkmanager für das gesamte Netzwerk einen anderen Funkkanal aus.
Markus Krauße, Rainer Konrad

14. ZigBee-Netzwerkschicht

Die ZigBee-Netzwerkschicht ist für das Routing und die Netzwerkfunktionen verantwortlich, welche die Realisierung von großflächigen Baum- und Meshnetzwerken ermöglicht. Sie greift mittels SAPs auf Dienste der MAC-Schicht des IEEE 802.15.4 Standards zu und stellt ihre Funktionalität ebenfalls durch SAPs der ZigBee-Anwendungsschicht zur Verfügung. Zu den Aufgaben der NWK-Schicht zählen:
Konfiguration von Funkmodulen: Hierzu zählt z.B. die Rollenzuweisung eines Funkmoduls als ZigBee-Koordinator, -Router oder -Endgerät.
Routing: Die Zustellung von Paketen über mehrere Funkmodule hinweg mittels Routing.
Adresszuweisung: Die Zuweisung und Verwaltung von 16-Bit Kurzadressen.
Netzwerkmanagement: Das Starten und die Verwaltung eines ZigBee-Netzwerks, insbesondere auch das Hinzufügen und Entfernen von Modulen. Zum Netzwerkmanagement zählt auch das Erkennen und Auflösen von PAN-ID- und Adresskonflikte.
NWK-Frames: Die Erstellung und das Versenden von für die Aufgaben der Netzwerkschicht benötigter Frames.
Markus Krauße, Rainer Konrad

15. ZigBee-Anwendungsschicht

Die ZigBee-Anwendungsschicht besteht aus drei Bausteinen, aus der Anwendungsunterstützungsschicht (APS), dem ZigBee Device Objekt (ZDO) inkl. ZDO Management Plane und dem Anwendungsframework (siehe Abbildung 14.2). Im Anwendungsframework wird eine zu entwickelnde Anwendung eingebettet. Die Anwendung kann in bis zu 240 Anwendungsobjekte aufgeteilt werden, wobei jedes Anwendungsobjekt eine eigene Aufgabe in der Anwendung übernimmt und eine ID zwischen 1 bis 240 besitzt. Das ZDO fungiert wie ein bereits implementiertes Anwendungsobjekt und besitzt die ID 0. Es initialisiert die APS-Schicht, die NWK-Schicht und den Sicherheitsserviceprovider (Security Service Provider). Zudem sammelt es Informationen von den Endanwendungen der Funkmodule für das Sicherheits-, Netzwerk- und Bindingmanagement. Die APS-Schicht implementiert bestimmte für die Anwendungsschicht benötigte Funktionen und stellt diese den Anwendungsobjekten und dem ZDO über SAPs zur Verfügung.
Markus Krauße, Rainer Konrad

16. ZigBee-Sicherheit

Sicherheit in Funknetzwerken zu gewährleisten ist deutlich schwieriger als in drahtgebundenen Netzwerken, da jederzeit auf das Übertragungsmedium zugriffen werden kann. In einem sicheren Funknetzwerk muss gewährleistet sein, dass vertrauliche Daten nicht von unberechtigten Personen gelesen oder manipuliert werden können. Zudem muss sichergestellt werden, dass Daten aus einer authentifizierten Quelle stammen und die Daten nicht veraltet sind. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, verwendet die ZigBee Spezifikation für die Verschlüsselung das CCM*-Verfahren, welches bereits im IEEE 802.15.4 Standard zur Anwendung kommt und in Kapitel 11.7 vorgestellt wurde. Das CCM*-Verfahren wird allerdings nicht mehr auf ein MAC-Frame angewendet, da in diesem Fall ein Router zum Weiterleiten eines NWK-Frames, dieses zunächst entschlüsseln muss, um die zum Routing notwendigen Informationen aus dem NWK-Frame zu extrahieren. Dies würde zum einen vermehrten Rechenaufwand bedeuten und zum anderen müsste dem Router hierfür jedes Mal der Schlüssel zum Entschlüsseln zur Verfügung stehen. Eine End-zu- End-Verschlüsselung zwischen zwei Funkmodulen mit geheimen Schlüsseln wäre damit nicht möglich. Die ZigBee-Spezifikation ermöglicht die Verschlüsselung eines NWK-Frames oder eines APS-Frames.
Markus Krauße, Rainer Konrad

17. Atmel BitCloud

BitCloud ist die Implementierung eines ZigBee-Stacks nach der ZigBee-Spezifikation von 2007 der Firma Atmel. BitCloud unterstützt aus der ZigBee-Spezifikation alle Funktionalitäten des Stackprofils ZigBee PRO, d.h. mit BitCloud können großflächige und zuverlässige Meshnetzwerke realisiert werden. Der Stack unterstützt zahlreiche firmeneigene Mikrocontroller und Transceiver. Insbesondere bietet Atmel Ein-Chip-Lösungen an, die sowohl einen energiesparenden Mikrocontroller als auch einen Transceiver beinhalten. Hierzu zählen die Chips aus der ZigBit-Reihe, welche aus der Verschaltung eines Mikrocontrollers ATmega1281 mit Transceivern der AT86RF-Reihe bestehen, als auch die komplette ein Chip Lösungen ATmega128RFA1 und ATmega128RFA2, bei denen im Mikrocontroller die Transceiverfunktionalität integriert ist.
Markus Krauße, Rainer Konrad

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