Prima Klima im Smart Home dank Umweltsensoren

Mit jedem Atemzug strömt Luft in den Körper und versorgt ihn mit lebenswichtigem Sauerstoff. Doch häufig finden sich auch Substanzen in der Luft, die für den Menschen schädlich sein können, vor allem innerhalb von Gebäuden. Hier lösen sich leichtflüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) zum Beispiel aus Möbeln, Teppichen, Farben, Lösungsmitteln, Reinigern und Kosmetika sowie aus Druckern und Kopierern und setzen sich in der Raumluft ab. Verstärkt wird dies noch durch die zunehmend bessere Isolierung von Gebäuden mit dem Ziel, deren Energieeffizienz zu erhöhen.

Zu den VOCs zählen unter anderem Formaldehyd, Aceton, Isoprene, Benzol und Phenol. Reichern sie sich in der Raumluft an, können sie Kopfschmerzen, Schwindelgefühl, trockene und gereizte Augen, sowie trockene Nasen oder Kehlen auslösen. Ist man diesen Stoffen langfristig ausgesetzt, besteht sogar die Gefahr von Atemwegs- und Herzerkrankungen, bis hin zu Krebs. Zudem nimmt die Konzentrationsfähigkeit ab, das Lernen und Denken wird erschwert, die Produktivität sinkt.

Der moderne Mensch verbringt rund 90 Prozent seiner Zeit in Gebäuden, zum Schlafen, Arbeiten und Wohnen. Daher kann eine Messung der Luftqualität in Innenräumen erheblich dazu beitragen, die Gesundheit und das Wohlbefinden zu erhalten oder zu verbessern.

Gassensor mit VOC-Erfassung

Bislang kommen für die Messung der Luftqualität vor allem CO₂-Sensoren zum Einsatz. Dieses Gas, das vor allem bei Verbrennungsprozessen und beim Ausatmen entsteht, wirkt sich in erhöhter Konzentration ebenfalls negativ auf den Menschen aus (zum Beispiel Müdigkeit). Doch die VOCs lassen sich mit CO₂-Sensoren nicht erfassen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Sensoren nach aktuellem Stand der Technik noch relativ teuer und groß sind, sodass sie für mobile Anwendungen nicht in Frage kommen.

Bild 1: Der BME680 ist ein 4-in-1 Umweltsensor, der Luftdruck-, Temperatur-, Feuchtigkeits- und Gassensoren in einem Gehäuse integriert. Bosch Sensortec

Mit dem BME680 hat Bosch Sensortec nun einen integrierten Umweltsensor entwickelt, der die Umgebungstemperatur, die relative Feuchtigkeit und den Luftdruck – sowie VOCs bis in den ppm-Bereich misst (Bild 1). Da VOCs auch beim Ausatmen auftreten, lässt sich mit dem Sensor die durch Menschen verursachte schlechte Luft erkennen. Zudem kann der BME680 Zigarettenrauch detektieren, der sich mit einem üblichen CO₂-Sensor nicht erfassen lässt. Damit eignet sich der BME680 ideal für die automatische Steuerung von Smart-Home-Anwendungen. HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) -Systeme wie Klimaanlagen und Lüftungen, aber auch spezielle Luftreiniger, lassen sich damit bedarfsgerecht und äußerst energieeffizient steuern.

Smarter Rauchwarnmelder misst auch die Luftqualität

Doch auch andere Smart-Home-Geräte können mit der Luftqualitätsmessung eine wichtige Zusatzfunktion erhalten. Das zeigt zum Beispiel der Bosch Smart Home Twinguard: Dieser vernetzte Rauchwarnmelder mit professioneller Dual-Ray-Technologie misst mit dem BME680 auch die Luftqualität (Bild 2). So leistet er seinen Anwendern nicht nur im Notfall gute Dienste, sondern trägt auch zu deren Wohlbefinden bei.

Bild 2: Bosch Smart Home Twinguard-Rauchwarnmelder mit Luftgütesensor. Bosch

Je nachdem, ob der Twinguard im Schlaf- oder Kinderzimmer oder in der Küche zum Einsatz kommt, ist die Sensitivität der Raucherkennung und Luftqualität entsprechend definierter Normwerte voreingestellt. Im Brandfall gibt er frühzeitig ein akustisches Signal als Voralarm ab. Schließlich werden an allen Twinguards eines Netzwerks die Notlichter aktiviert, um Fluchtwege auszuleuchten, und eine Nachricht alarmiert die Besitzer via App auf dem Smartphone. Für die Luftqualität sind in der Twinguard App die Optimal- und Grenzwerte der wichtigsten Parameter für die unterschiedlichen Räume hinterlegt. Ein Algorithmus kombiniert die verschiedenen Messdaten und zeigt auf der App, in welchen Räumen die Raumluft sehr gut, gut oder verbesserungswürdig ist. So können die Bewohner rechtzeitig handeln – etwa ein Fenster öffnen, die Lüftung aktivieren – oder die Quelle für eine hohe VOC-Konzentration lokalisieren und entfernen. Der Zugriff auf historische Messwerte macht es noch einfacher, die VOC-Quellen zu identifizieren. Zudem lassen sich aus den gesammelten Daten Lüftungsmuster ableiten und so dauerhaft eine bessere Luftqualität erzielen.

Sehr klein und energieeffizient: Bestens für mobile IoT-Anwendungen geeignet

Der Umweltsensor BME680 eignet sich mit seinen sehr kleinen Abmessungen von 3 x 3 x 0,95 mm³ und seiner hohen Energieeffizienz nicht nur für Smart-Home-Anwendungen, sondern auch für IoT-Anwendungen wie Wearables, smarte Sport- und Fitness-Geräte, Anwendungen in der Altenpflege sowie intelligente Transportlösungen – auch in mobilen Geräten. Für die geringe Stromaufnahme sorgen intelligente Algorithmen. Dadurch arbeiten nicht alle Sensoren immer im Messmodus; trotzdem liefert der BME680 innerhalb kürzester Zeit aktuelle Werte. Dank der kurzen Reaktionszeit bei der Messung der relativen Luftfeuchtigkeit, des Luftdrucks und der Umgebungstemperatur, ist der Umweltsensor BME680 auch bestens für individualisierte Wetterstationen geeignet.

Die Messungenauigkeit des Luftdrucksensors von ±12 Pa ermöglicht die Bestimmung von Höhenänderungen auf ±1 m genau, zum Beispiel für eine stockwerksgenaue Indoor-Navigation. Der niedrige Offset-Temperaturkoeffizient von 1,3 Pa/K reduziert temperaturbedingte Höhenabweichungen auf nur 10,9 cm/K. Dies ist relevant für Anwendungen, die die vertikale Bewegung des Anwenders innerhalb von Gebäuden über einen breiten Temperaturbereich hinweg erfassen sollen (zum Beispiel Stockwerks-Lokalisierung von Personen in einem Gebäude).

Bild 3: Der BME680 ermöglicht vielfältige Anwendungen im IoT und Smart Home. Depositphotos/Macrovector; Bosch Sensortec

Messprinzip von VOC-Sensoren

Das Messprinzip des VOC-Sensors im BME680 beruht darauf, dass ein Metalloxid, hier SnO₂, eine bestimmte Temperatur erreicht. Abhängig davon, welches Gas beziehungsweise welche Gase die erhitzte Metalloxidschicht überströmen, ergeben sich unterschiedliche Leitfähigkeiten, die elektrisch gemessen werden können.

BME680 bietet viele unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten

Der BME680 kommt mit I²C- und SPI-Schnittstellen. Drei Leistungsstufen und Oversampling-Raten für die Druck- und Temperaturmessung lassen sich separat konfigurieren, sodass der Sensor ganz einfach an unterschiedliche Anwendungen anzupassen ist (Bild 3). Zu den weiteren Einsatzbereichen zählen die Kontexterkennung – zum Beispiel Hautfeuchtigkeit –, die Warnung vor Trockenheit und Überhitzung, die Messung von Lungenvolumen und Luftströmungen, etwa im Rahmen eines Gesundheitsmonitorings, die Verbesserung des GPS-Signals (Time-To-First-Fix Optimierung, Dead Reckoning, Gefälleerkennung) sowie die Höhenmessung und Ermittlung des Kalorienverbrauchs bei sportlichen Aktivitäten.

Bild 4: Mit Sensoren aller Typen und Technologien hat sich Rutronik als der Sensor-Distributor etabliert. Rutronik

(jj)