Trends und Entwicklungen bei IoT-fähigen Sensoren

Seit Jahren senken Sensoren den Energieverbrauch in Bürogebäuden, Parkhäusern und Lagerhallen, indem sie beispielsweise das Licht in einem nicht genutzten Raum ausschalten. Im Gegensatz zu Kameras sind Systeme mit Sensoren kompakt, können diskret platziert werden und berücksichtigen die Privatsphäre. Außerdem besteht die Möglichkeit eines Batteriebetriebes, was keine zusätzlichen Investitionen in die Verkabelungsinfrastruktur bedeutet.

Der Einsatz von IoT-fähigen Sensoren mit drahtloser Konnektivität (LoRaWAN/5G) oder künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen bringt jedoch noch weitere Vorteile mit sich. Dazu zählen zum Beispiel eine verbesserte Sicherheit und Zugangskontrolle.

Grundlagen der Sensorik

Im Wesentlichen erkennen Sensoren das Vorhandensein und die Menge einer physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaft und wandeln diese Information in ein lesbares Signal um. Die Arten der Sensortechnik sind vielfältig und breit gefächert. Im Fokus dieses Artikels steht allerdings, dass sie Echtzeitinformationen für Überwachungs-, Erkennungs- und Berichtszwecke liefern.

Menschliche Sensoren

Sensoren nehmen die Umgebung ähnlich wie der menschliche Körper wahr; sie können hören, sehen, riechen, fühlen oder schmecken. Um die Analogie zu den menschlichen Sensoren weiterzuführen, nimmt jedes Sinnesorgan diese Informationen auf und sendet sie zur weiteren Verarbeitung an das Gehirn.

Die Funktionsweise des Gehirns ist rätselhaft: Für die einen hat beispielsweise eine scharfe Chilischote keine Folgen, während andere darauf mit Schweißausbrüchen reagieren. Diese unterschiedliche Reaktion ist darauf zurückzuführen, dass das Gehirn eine Toleranzgrenze festlegen kann.

Wie allgemein bekannt arbeiten diese Sensoren sowohl einzeln als auch im Verbund. Wenn ein Sensorsystem mit künstlicher Intelligenz verbunden wird, z. B., wenn ein Curry scharf riecht, weiß das Gehirn, dass die Toleranzgrenze für Gewürze angehoben werden sollte, wenn das Essen verzehrt wird, mit dem Wissen, dass es sich um ein scharfes und würziges Essen handelt.

Aktive und passive Infrarot-Sensoren

Herkömmliche Näherungssensoren wie IR- (Infrarot-) und PIR- Sensoren (Passiv-Infrarot-Sensoren) sind nach wie vor sehr gefragt, insbesondere für intelligente Gebäudeanwendungen. IR-Sensoren, die auch als aktive IR-Sensoren bezeichnet werden, senden LED-IR-Strahlung aus und erfassen das reflektierte Licht mit einem Empfänger. Das Sensorelement im Empfänger absorbiert die IR-Energie und erzeugt ein Ausgangssignal. PIR-Sensoren hingegen sind, wie der Name schon sagt, passiv und erkennen nur die IR-Strahlung, die von Objekten in ihrem Sichtfeld ausgeht. Sie werden häufig für Sicherheitsalarm-Systeme und automatische Beleuchtungsanwendungen eingesetzt. Der gebräuchlichste PIR-Sensor hat eine Fresnel-Linse, die sein Sichtfeld erweitert und seine Reichweite fokussiert.

Digitale pyroelektrische IR/PIR-Sensoren

Allerdings stoßen diese beiden konventionellen Sensordesigns bei intelligenten Gebäudeanwendungen an ihre technischen Grenzen, was Größe, Stromverbrauch und Latenzzeiten betrifft. Die große Fresnel-Linse lässt sich zum Beispiel nur schwer verbergen. Die aktuellen digitalen pyroelektrischen IR/PIR-Sensoren sind kompakter, benötigen keine Fresnel-Linse und haben stattdessen verschiedene Blendengrößen zur Steuerung ihres Sichtfeldes mit viel höherer Empfindlichkeit und geringerer Latenz für schnellere Reaktionszeiten. Einige verfügen auch über eine I²C-Kommunikation, die eine einfache Anbindung an einen Mikrokontroller z. B. zu Abstimmungszwecken ermöglicht.

Thermopile-Sensoren

Erwähnenswert sind auch Thermopile-Sensoren, welche im Gegensatz zu herkömmlichen pyroelektrischen Sensoren auch Objekte erkennen können, die sich nicht bewegen. Der Mehrwert der Bewegungserkennung liegt darin, dass sie beispielsweise in intelligenten Beleuchtungssystemen dazu beitragen kann, Energie zu sparen, indem die Beleuchtung nur für eine bestimmte Zeitdauer eingeschaltet bleibt. Weitere gängige Anwendungen sind Einbruchalarmanlagen und automatische Türen.

Ultraschallsensoren

Eine weitere Technologie, die zunehmend für diese Anwendungen eingesetzt wird, ist der Ultraschallsensor. Diese Sensoren können statische und sich bewegende Objekte erkennen und den Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt messen. Wie ein IR-Sensor senden und empfangen sie ein Signal, verwenden jedoch Ultraschall statt Infrarot-Licht.

Zur Objekterkennung senden sie ein kontinuierliches Signal. Befindet sich kein Objekt innerhalb der Reichweite des Sensors, wird keine Welle reflektiert. Ist ein Objekt vorhanden, wird die Welle daran zurückgeworfen (Bild 1).

Je geringer dabei der Abstand zwischen Sensor und Objekt ist, desto größer ist das empfangene Signal. Wenn sich das Objekt bewegt, ändert sich die reflektierte Welle, was als Dopplereffekt bekannt ist (Bild 2).

Zur Entfernungsmessung wird der Sensor so eingestellt, dass er eine intermittierende Welle sendet und die Zeit zwischen dem Senden und Empfangen des Signals mit Hilfe eines speziellen Kurzzeitmessers misst (Bild 3).

Dieses Verfahren wird auch als Laufzeitmessung (Time-of-Flight, ToF) bezeichnet.

Türzugangssysteme und intelligente Schlösser

Bei fortschrittlicheren Türzugangssystemen oder intelligenten Schlössern werden diese IR- und Ultraschallsensoren zunehmend zusammen mit anderen Sensoren verwendet, z. B. mit einem biometrischen Fingerabdruck- oder Netzhautscanner, einem Berührungssensor-Display, einer 3D-Gesichtserkennung oder einer Spracherkennung.

Um die Kosten für die Verkabelungsinfrastruktur zu senken, werden sie in der Regel drahtlos über LoRaWAN oder 5G verbunden und mit einer Batterie betrieben.

Sensor-System mit Weckfunktion

Die Architekturen intelligenter Schlösser werden daher immer Strom-hungriger und komplexer. Um den Stromverbrauch des Systems zu minimieren, ist nur der IR- oder Ultraschallsensor immer eingeschaltet. Wenn dieser eine sich nähernde Person erkennt, kann er eine Weckfunktion auslösen, um die anderen Sensoren mit höherem Stromverbrauch innerhalb des Systems einzuschalten.

In ähnlicher Weise löst der IR- oder Ultraschallsensor einen Sicherheitsalarm aus oder schaltet das Licht zur Erkennung von Anwesenheit ein. Auch hier sind geringe Größe und niedriger Stromverbrauch wichtige Anforderungen, insbesondere bei drahtlosen Systemen, die unauffällig sein müssen. Auch die Latenzzeit des Sensors ist ein wichtiger Faktor; bei einer hohen Latenzzeit kann es beispielsweise eine Weile dauern, bis sich das Licht einschaltet, was die Benutzerfreundlichkeit insgesamt beeinträchtigt.

Schutz von Gesundheit und Sicherheit

In HLK-Systemen wird eine Vielzahl verschiedener Sensoren verwendet. So sorgen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren dafür, dass in jedem Raum ein optimales Klima herrscht. In den Kanälen dieser Systeme messen Drucksensoren den Luftstrom. Ist dieser beispielsweise langsamer als er sein sollte, könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass ein Filter verstopft ist. So wird die vorausschauende Wartung unterstützt. Des Weiteren messen Partikelsensoren die Feinstaubbelastung in jedem Raum.

Selbst CO₂-Sensoren und andere chemische oder biologische Sensoren können in das HLK-System integriert werden, um anzuzeigen, ob Rauch und andere flüchtige organische Verbindungen vorhanden sind, oder um Legionellen im Wassersystem zu überwachen. Der Einsatz all dieser Sensortechnologien zusammen mit kabelgebundener und drahtloser Konnektivität sowie künstlicher Intelligenz an der Schnittstelle ermöglicht es Unternehmen, HVAC-as-a-Service (HVACaaS) anzubieten.

Fazit

Intelligente Sensortechnologie mit Konnektivität und KI ermöglicht aktuell die Schaffung von Anwendungsfällen, die zuvor als unmöglich galten. Über TTI ist ein breites Portfolio an Sensorprodukten erhältlich, mit denen die Entwicklung von Geräten für Sicherheits- und Zugangskontrollsysteme für intelligente Gebäude möglich ist. Durch die Spezifizierung und Beschaffung von Sensorprodukten, wie den gerade erwähnten, kann die Überwachung der Bewohner für ihre Sicherheit und ihren Komfort erreicht werden, ohne dass dies hohe Kosten verursacht. (bs)