Intelligenten Systemen mit Sensoren ein Lagebewusstsein geben

Menschliche sensorische Systeme überwachen ständig ihre nähere Umgebung. Der Mensch tut dies aber oft auf eine ihm selbst unbewusste Weise wie etwa durch ein Lüftchen, das über das Gesicht streicht, eine Bewegung im peripheren Sichtfeld, ein kleiner Druckunterschied im Ohr oder an den Fußsohlen. Um es mit dieser Wahrnehmungsfähigkeit aufnehmen zu können, benötigen smarte Systeme eine gut konstruierte und konfigurierte Anordnung von Sensoren, die ihnen alle notwendigen Daten zur Verfügung stellen. Nicht nur um ihre jeweilige Aufgabe unmittelbar zu erfüllen, sondern auch, um sie mit einem Situationsbewusstsein auszustatten, damit diese Systeme die herrschende Lage erfassen können.

Intelligente Gebäude benötigen Daten nicht nur zur direkten Ausführung ihrer eigentlichen Funktion, allerdings sind noch zusätzliche Hintergrundinformationen über die Umgebung des Gebäudes nötig, um einen unter allen Umständen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Dazu zählen etwa außergewöhnliche Ereignisse wie beispielsweise Erdbeben. Neben der Gebäudeautomatisierung erfordern aber auch Verbraucherprodukte wie Schrittzähler, Drohnen und Smartphones zunehmend eigene Sensorlösungen, da sie mehr und mehr Funktionen erhalten und immer autonomer werden. Als Reaktion lassen sich hierauf drei große Trends in der Sensorentwicklung beobachten:

• Die Integration mehrerer Sensoren auf einer gemeinsamen Plattform über nur eine Schnittstelle, um das Systemdesign zu vereinfachen.
• Durch Algorithmen verbesserte Sensoren, dank derer sie die gesammelten Daten interpretieren können.
• Die Evolution neuer Produktklassen speziell für batteriebetriebene Systeme mit kleinstmöglichem Stromverbrauch wie zum Beispiel bei Drohnen.

Zahlreiche Messaufgaben mit Mehrzwecksensoren abdecken

Mehrzwecksensoren kommen häufig in der Raumüberwachung in Smart-Home-Anwendungen zum Einsatz. Omron

Mit einem echten Mehrzweck-Umgebungssensor kann ein Produktentwickler zahlreiche Messaufgaben mit nur einem kleinen Sensor bewerkstelligen, was wertvolle Entwicklungszeit durch diverse kundenkonfigurierbare Optionen spart. Ob es darum geht, die optimale Büroarbeitstemperatur aufrechtzuerhalten oder dass in einem Museumsraum die richtige Luftfeuchte und Beleuchtung zum Schutz der Exponate herrschen – diese Sensoren liefern leicht interpretierbare Daten. Anschließend lassen sich diese wiederum analysieren, in der Cloud speichern und dazu verwenden, Parameter einzustellen oder Echtzeit-Anpassungen vorzunehmen.

Sieben Kernparameter sollte jeder Umgebungssensor für Gebäude-und Industrie-Automatisierungssysteme überwachen können: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, UV-Index, Luftdruck, Störgeräusche und Beschleunigungsverhalten. Eine weitere Anforderung ist ein eingebauter Speicher, um Daten eine Zeit lang auf einem Chip zu speichern. Zudem müssen Sensoren ohne zusätzliche Hardware Cloud-kompatibel sein und dem Kundenwunsch angepasste Schwellenwerte müssen sich im Sensorsystem festlegen lassen, um den Anwender über ungewöhnliche Messergebnisse zu alarmieren. Diese neue Generation von Sensoren erfordert überdies flexible Schnittstellen, um nicht nur in eine Gebäudeautomatisierungsinfrastruktur zu passen, sondern auch in Mobilgeräte und ähnliche mobile Geräte.

Ein weiteres Schlüsselthema ist der Energieverbrauch. Potenzielle Einsatzgebiete sind die Überwachung und Steuerung sowohl von Büro- als auch Industrieumgebungen zur Verbesserung der Arbeitsräumlichkeiten. Umgebungssensoren eignen sich auch für Anwendungen im Wohn- und Außenbereich.

Umgebungssensoren wie Omrons 2JCIE können all dies überwachen und übermitteln ihre Daten über bekannte drahtgebundene und drahtlose Datenschnittstellen wie USB und Bluetooth. Trotz seiner kleinen Bauform verfügt der 2JCIE über einen eigenen integrierten Speicher für die Datenaufzeichnung und um die Umgebung im Blick zu behalten.

Integrierte Algorithmen erkennen Erdbeben

Während es durchaus nützlich ist, schon einen reinen Wert aufzuzeichnen, wenn zum Beispiel ein Sensor ein Beschleunigungsverhalten wahrnimmt, bedürfen diese Daten doch oft einer Interpretation, um wirklich von Nutzen zu sein. Wackelt ein Gebäude, weil gerade ein Zug vorbeigefahren ist oder handelt es sich um etwas Ernsteres wie ein Erdbeben? Der vorbeifahrende Zug lässt sich ignorieren, wohingegen aber ein Erdbeben etwa ein bestimmtes Vorgehen und konkrete Maßnahmen erfordert. Erdbeben kommen weltweit äußerst häufig vor und sind somit ein wichtiges Thema. Durchschnittlich 50 Beben finden täglich statt, pro Jahr sind es etwa 20.000. Kein Systemdesigner dürfte in der Lage sein, einen Sensor auf diese Unterscheidung hin zu programmieren. Zudem ist es unwahrscheinlich, dass er hierfür wertvolle Systemressourcen verwenden will.

Ein Erdbebensensor wie etwa der D7S von Omron kann Impulsgeräusche durch Vibrationen herausfiltern und reagiert so ausschließlich auf tatsächliche seismische Aktivität. Handelt es sich wirklich um ein Erdbeben, so erkennt dies der D7S aufgrund einzigartiger Algorithmen zur Wertberechnung der Spektralintensität (SI). Mit einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser ausgestattet, berechnet der D7S auf Basis dieser Messungen den SI-Wert, um die Stärke des Erdbebens einzuschätzen.

Trotz äußerst kompakter Abmessungen von 9,8 × 10,9 mm² verfügt der D7S über einen eigenen internen Speicher und eine I²C-Schnittstelle, so dass er sich in IoT-Geräte integrieren lässt. Mögliche Anwendungen und Einsatzgebiete sind beispielsweise intelligente Strom- und Gaszähler, drahtlose Sensoren, Industriesteuerungen, Schalttafeln für die Energieversorgung, Brandschutzanlagen, Heizgeräte und Gasöfen für private Haushalte, Chemiewerke, Autobahnen, Brücken, Tunnel, Straßen und mehr.

Unterwegs und in Bewegung messen

Mit Drucksensoren lässt sich die Höhe erfassen, was gerade für Drohnen und mobile Anwendungen interessant ist. Omron

Smartphones, Schrittzähler, Drohnen und andere obligatorische Verbrauchergeräte erschaffen eine Nachfrage nach Sensoren einer höheren Art. Da die Hersteller diesen Geräten immer neue Funktionen hinzufügen, dürfte der Bedarf weiter steigen. Ein Parameter jeder dieser Anwendungen, den es exakt zu überwachen gilt, ist Höhe, die Sensoren über den Luftdruck ermitteln.

Sensorhersteller wie Omron entwickelten die in Blutdruckmessern verwendete Technologie weiter, um auch andere Höhen und Drücke stabil und zuverlässig messen zu können. Selbst vergleichsweise kleine Höhenunterschiede von nur zwei Metern werden verlässlich erfasst. Die präzisen Luftdrucksensoren messen den Druck auf der Basis eines eingebauten rauscharmen 24-bit-ADC und erlauben eine digitale Datensteuerung und -übertragung über I²C/SPI-Schnittstellen.

Für einen möglichst geringen Energieverbrauch schalten speziell für diese Umgebungen ausgelegte Sensoren nicht aktive Schaltkreise automatisch ab, um den Stromverbrauch zu minimieren. Die individuellen Kalibrierungsparameter speichert das System im One-Time-Programmable-ROM (OTP) und behält diese auch, wenn das System heruntergefahren wird. Ein integrierter Schaltkreis zur Temperaturkompensation sorgt für eine akkurate absolute Luftdruckmessung. Neue wasserdichte Version werden Systemdesigns weiter vereinfachen.

Fazit

Die Weiterentwicklung der Sensortechnologie geht rasch voran, da neue Einsatzfelder explosionsartig zunehmen. Intelligente Gebäudetechnik und der Einsatz von Drohnen nehmen weiter zu. Fitness-Tracker, Smartphones und andere Applikationen erhalten immer weitere neue Funktionen, für die in der Regel neuartige Sensoren nötig sind. Sensorhersteller entwickeln daher unablässig neue Lösungen, um dem Systemdesigner das Leben leichter zu machen.

(prm)