Wie Sensoren intelligentes Wohnen möglich machen

Ein Smart Home ist ein Haus, in dem verschiedene vernetzte Geräte und Systeme miteinander kommunizieren und sich automatisch steuern lassen. Diese Geräte sind über das Internet der Dinge (IoT) miteinander verbunden und werden über ein Eingabegerät wie Smartphone oder Computer gesteuert. Die Steuerung erfolgt per App oder mit Sprachsteuerung. Im Allgemeinen soll ein Smart Home Sicherheit, Komfort und Energieeffizienz steigern.

Welche Rolle spielen Sensoren im IoT?

Ein zentrales Element des Smart Home sind Sensoren. Sie dienen der Datenerfassung und können physikalische, chemische oder biologische Größen, Stoffe sowie Eigenschaften der Umgebung oder eines Systems messen. Solche Größen und Stoffe sind z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, Bewegung oder Gase wie CO2.

Die gemessene Größe dient als Eingangssignal. Sie wird in eine Ausgangsgröße umgeformt, die weiterverarbeitet werden kann, meistens in Form elektrischer Signale. Der Sensor gibt das Ausgangssignal an eine Datenverarbeitung weiter. Es kann dann von anderen Geräten oder Systemen verwendet werden, um Informationen über die Umgebung zu sammeln oder um Steuerungsentscheidungen zu treffen.

Es gibt viele Arten von Sensoren, die im Smart Home eine Rolle spielen. In Tabelle 1 sind einige der wichtigsten mit möglichen Funktions-Prinzipien und Einsatzgebieten aufgeführt.

Funktionsprinzip von Bewegungssensoren

Bewegungen erfassen können beispielsweise Passive Infrarotsensoren (PIR), die den pyroelektrischen Effekt nutzen. Trifft die Infrarotstrahlung, die eine Person ausstrahlt, auf ein pyroelektrisches Material ein, bewirkt sie einen Temperaturunterschied und damit eine kurzzeitige Verschiebung von Oberflächenladungen, bzw. eine elektrische Spannung.

Ein Bewegungsmelder besteht in der Regel aus zwei pyroelektrischen Kristallen, die antiparallel geschaltet sind. Wenn sich die Außentemperatur oder die Sonneneinstrahlung ändert, gleichen sich die Signale aus, da beide Sensoren gleichzeitig entgegengesetzte und gleich große Signale liefern. Wenn jedoch eine Person an dem Dualsensor vorbeigeht, führt dies zu aufeinanderfolgenden Änderungen an den Sensoren und somit zur Erzeugung eines Auslösesignals (Bild1).

Ultraschallsensoren können statische und sich bewegende Objekte mithilfe von Ultraschallwellen erfassen, die ein piezoelektrischer Kristall erzeugt, der zur Schwingung angeregt wird. Wenn die ausgesendeten Schallwellen auf ein Objekt treffen, wird ein Teil reflektiert. Bei bewegten Objekten ändert sich die reflektierte Welle, was als Dopplereffekt bekannt ist (Bild 2, oben). Ein Empfangselement fängt die reflektierten Schallwellen auf. Der Sensor misst die Zeit, die benötigt wird, bis die reflektierten Schallwellen zum Sensor zurückkehren. So kann die Entfernung zum Objekt berechnet werden. Dieses Verfahren wird auch als ToF- (Time-of-Flight) oder Laufzeitmessung bezeichnet (Bild 2, unten).

Mikrowellensensoren senden Mikrowellenimpulse aus und messen die reflektierten Wellen. Wenn sich ein Objekt, wie eine Person, innerhalb des Erfassungsbereichs bewegt, wird die reflektierte Welle verändert und der Sensor erkennt die Bewegung.
Kameras mit integrierter Bildverarbeitung können ebenfalls zur Bewegungserkennung dienen. Durch Analyse des Kamerabildes wird festgestellt, ob sich Personen im Erfassungsbereich befinden und Bewegungen durchführen.
Laserbasierte Sensoren verwenden Laserstrahlen, um Bewegungen zu erkennen. Wenn ein Objekt die Laserstrahlen unterbricht, wird die Bewegung erkannt.

Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren

Um die Temperatur zu messen, stehen verschiedene Sensortechnologien zur Verfügung. Einige nutzen die Eigenschaft bestimmter Materialien, um ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur zu ändern. Thermoelemente basieren auf dem thermoelektrischen Effekt, der besagt, dass an der Verbindungsstelle von zwei unterschiedlichen Metallen bei einer Temperaturdifferenz eine Spannung erzeugt wird, deren Höhe von der Temperaturdifferenz abhängt. Einige Temperatursensoren verwenden Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Silizium, die ihre elektrischen Eigenschaften, wie Widerstand oder Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur verändern.Infrarot-Temperatursensoren, auch als berührungslose oder pyrometerbasierte Sensoren bezeichnet, messen die Temperatur durch Erfassung der von einem Objekt abgestrahlten Infrarotstrahlung.

Oft arbeiten Temperatursensoren mit Feuchtigkeitssensoren in Kombination. Eine Art von Feuchtigkeitssensoren besteht aus einem Material, das auf Feuchtigkeit reagiert, wie zum Beispiel einem Polymer oder einem keramischen Substrat. Dieses Material hat die Eigenschaft, seine elektrische Leitfähigkeit zu verändern, wenn es mit Feuchtigkeit in Kontakt kommt. Es gibt auch andere Arten von Feuchtigkeitssensoren, wie zum Beispiel kapazitive Sensoren, die die Änderung der elektrischen Kapazität messen, wenn sie mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen.

Drucksensoren

Drucksensoren im Smart Home nutzen beispielsweise den piezoresistiven Effekt. Diese Sensoren bestehen aus einem dünnen piezoresistiven Material, das auf eine Membran aufgebracht ist. Ein mechanischer Druck auf diese Membran bewirkt eine Widerstandsänderung im piezoresistiven Material.

Kapazitive Drucksensoren bestehen aus einer elektrisch geladenen beweglichen Membran und einer ebenfalls elektrisch geladenen festen Platte. Wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird, ändert sich der Abstand zwischen den Platten und somit auch die Kapazität.

Luftdrucksensoren bestimmen den Druckunterschied zwischen der Umgebung und einem Referenzdruck. Dieser Referenzdruck kann der atmosphärische Druck oder ein anderer definierte Druck sein.

Lichtsensoren

Lichtsensoren im Smart Home messen die Lichtintensität und bestehen aus einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial. Fotowiderstände beispielsweise sind passive Bauteile. Trifft Licht auf sie, werden Elektronen angeregt. Dadurch nimmt die Leitfähigkeit zu und der Widerstand ab. Diese Widerstandsänderung wird gemessen und dient als Ausgangssignal. Fotodioden sind ebenfalls Halbleiterbauelemente. Fällt Licht auf den Sensor, werden Elektronen angeregt und es bilden sich Elektronen-Loch-Paare. Diese driften am P-N-Übergang auseinander und führen zu einem elektrischen Strom (Bild 3). Fotodioden sind in einem bestimmten Wellenlängenbereich empfindlich und eignen sich daher für spezifische Anwendungen, wie z.B. die Messung von Infrarotlicht.

Fototransistoren ähneln einer Photodiode mit angeschlossenem Verstärkertransistor. Die erzeugten Elektronen-Loch-Paare werden von einem elektrischen Feld getrennt. Auf der lichtabgewandten Seite wandern die Ladungsträger vom undotierten Bereich in einen dotierten Bereich, der als Basis eines Transistors dient. Sie können die Lichtintensität messen, oder als Lichtschrank verwendet werden.

Rauchsensoren

In der Regel arbeiten Rauchmelder im Smart Home nach dem Streulichtprinzip. Der Rauchsensor enthält eine Lichtquelle, die kontinuierlich Licht aussendet. Wenn Rauchpartikel in die Umgebung des Rauchsensors gelangen, können sie das ausgesendete Licht der Lichtquelle streuen. Ein Detektor erfasst das gestreute Licht. Dadurch erhöht sich die Lichtintensität, die auf den Detektor trifft.

Luftqualität

Um die Luftqualität zu kontrollieren, kommen CO₂- und TVOC-Sensoren, die die Gesamtkonzentration flüchtiger organischer Verbindungen bestimmen, zum Einsatz. Ein CO2-Sensor enthält eine Infrarotlichtquelle, die Licht mit spezifischer Wellenlänge aussendet. Ein Teil davon wird von CO₂-Molekülen absorbiert. Der Sensor misst die Intensität des einfallenden und des austretenden Lichts und berechnet daraus die CO2-Konzentration in der Luft. Ein TVOC-Sensor erfasst die Gesamtkonzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Luft. Es gibt verschiedene Arten von TVOC-Sensoren, aber einer der gebräuchlichsten ist ein elektrochemischer Sensor. Die VOCs diffundieren durch eine durchlässige Membran in den Sensor und reagieren dort mit einer Elektrode und einem Elektrolyten. Dies erzeugt einen Strom, der proportional zur Konzentration der VOCs ist.

Glasbruchsensoren

Glasbruchsensoren im Smart Home funktionieren in der Regel nach dem Prinzip der akustischen oder optischen Detektion.

Akustische Sensoren nutzen Mikrofone oder Schallsensoren, um die charakteristischen Geräusche eines Glasbruchs zu erfassen. Diese Sensoren sind auf die spezifischen Frequenzmuster von Glasbruchgeräuschen kalibriert. Wenn ein Glasbruch auftritt, erkennt der Sensor die Frequenzmuster und löst einen Alarm oder eine Benachrichtigung aus. Er kann auch andere Umgebungsgeräusche filtern, um Fehlalarme zu minimieren.

Optische Sensoren verwenden Infrarot- oder Lichtschranken, um Veränderungen im Lichtmuster zu erkennen, die ein Glasbruch verursacht. Diese Sensoren projizieren normalerweise Lichtstrahlen oder -muster auf die Glasoberfläche und erfassen die reflektierten oder unterbrochenen Lichtsignale.

Einige Glasbruchsensoren verwenden eine Kombination aus akustischer und optischer Detektion, um eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Erkennung von Glasbrüchen zu gewährleisten.

Sensormodule und smarte Sensoren

Viele Hersteller bieten eigenständige Sensormodule an, die in einem Smart-Home-System integriert werden können, um bestimmte Funktionen oder Aufgaben zu erfüllen. Zum Beispiel bilden Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftqualitätssensoren häufig ein Modul zur intelligenten Raumkontrolle.

Smarte Sensoren können die Sensorsignale direkt vor Ort am Netzwerkrand (Edge) verarbeiten. Viele dieser intelligenten Sensoren integrieren bereits KI in ihr Design, wodurch sie sofort Entscheidungen treffen oder sensible Daten verarbeiten können, ohne diese an eine andere Stelle zu senden.

Kommunikation und Steuerung

Die von den Sensoren erfassten Signale werden in analoger Form bereitgestellt und müssen in digitale Signale umgewandelt werden, damit sie von den elektronischen Geräten im Smart Home-System verarbeitet werden können. Dafür werden sie von einem Vorverstärker oder Messumformer in eine Spannung oder einen Strom umgewandelt, verstärkt und aufbereitet und von einem A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt (Bild 4).

Die digitalen Signale stehen dem Smart-Home-System als Inputs zur Verfügung, wobei die Kommunikation per Kabel oder per Funk erfolgen kann. Smart-Home-Protokolle wie z. B. Wi-Fi, Z-Wave, ZigBee oder Bluetooth dienen als Standards für die Kommunikation.

Das Smart-Home-System analysiert und verarbeitet die empfangenen digitalen Signale. Dies kann an einem zentralen Knotenpunkt wie einem Hub oder Gateway erfolgen, der die Daten von verschiedenen Geräten sammelt und verarbeitet.

Aktoren

Aktoren sind notwendig um Geräte, Systeme und Funktionen im Smart Home zu steuern. Sie nehmen die Daten von der Smart-Home-Zentrale oder anderen Geräten entgegen und führen entsprechende Aktionen aus. Beispielsweise können Aktoren in Kombination mit Bewegungssensoren in intelligenten Schlössern durch elektrische oder elektromagnetische Mechanismen das Öffnen und Schließen eines Schlosses steuern, wenn die Sensoren eine nähernde Person registrieren. Andere Aktoren steuern die Drehrichtung und Geschwindigkeit der Motoren von Rollläden, Jalousien oder Garagentore. Zusammen mit Lichtsensoren bilden Aktoren ein intelligentes Lichtsystem. Sie verwenden eine Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung, um den Stromfluss zu steuern und so die Helligkeit des angeschlossenen Geräts je nach Lichtintensität anzupassen. Schaltaktoren schalten elektrische Geräte ein und aus. Sie sind mit einem Relais oder einem Halbleiterschalter ausgestattet. Thermostat-Aktoren finden sich bei Heiz- und Kühlsystemen. Sie empfangen die Temperaturwerte vom den Sensor und stellen am Heiz- oder Kühlsystem die gewünschte Temperatur ein.

Stromversorgung

Die Kommunikation erfolgt meist über ein drahtloses Netzwerk. Dies hat den Vorteil, dass es gegenüber einer verkabelten Dateninfrastruktur flexibel ist. Allerdings stellt sich so die Frage nach der Stromversorgung der Geräte. Eine Möglichkeit sind Batterien, was aber mit Wartungsaufwand, Kosten, Sondermüll und dem Risiko eines Systemausfalls bei leerer Batterie verbunden ist. Eine Alternative ist hier die Energy-Harvesting-Technologie. Dabei beziehen draht- und batterielose Sensoren die Energie, die sie für den Betrieb benötigen, aus der Umgebung. Beispielsweise arbeiten manche Funkschalter nach dem induktiven Prinzip, so dass die kinetische Energie beim Drücken des Schalters durch einen elektromagnetischen Generator in elektrische Energie umgewandelt und auf das erforderliche Spannungsniveau umgesetzt wird. Für solche Schalter eignen sich auch piezoelektrische Materialien, bei denen ein mechanischer Druck eine Verschiebung der Ladungsschwerpunkte im Material bewirkt, wodurch eine elektrische Spannung entsteht.

Eine weitere Möglichkeit des Energy-Harvesting ist der Einsatz von Solarzellen. Hier können die Sensoren die gesamte Energie für bis zu vier Tage speichern.

Selbst Temperaturunterschiede lassen sich nutzen – und zwar mit einem Peltier-Element, das die nötige Energie für den Sensor zur Verfügung stellt. Dabei wird ausgenutzt, dass in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitermaterialien bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung entsteht. Anwendung findet diese Technologie z. B. bei Heizkörperstellventilen, die den Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Umgebung nutzen.

Solche Energy-Harvesting-Geräte sind wartungsfrei und inzwischen oft nicht teurer als der Sensor an sich.

KI und Virtuelle Sensoren

Um das Smart Home noch autonomer zu machen, kommt vermehrt KI zum Einsatz. Neben der Sprachsteuerung und der intelligenten Steuerung durch Algorithmen kann sie Daten aus verschiedenen Sensoren analysieren, Muster erkennen und intelligente Entscheidungen treffen. Virtuelle Sensoren können mithilfe von KI-Algorithmen Daten modellieren und simulieren, um Informationen über bestimmte Aspekte des Smart-Home-Umfelds zu liefern, ohne dass physische Sensoren nötig sind. Zusammen ermöglichen sie eine bessere Automatisierung, Anpassungsfähigkeit und Effizienz im Smart-Home-System.