Geschäfts- und Bürogebäude verbrauchen viel Energie, um den Anforderungen ihrer Nutzer gerecht zu werden. Mindestens 60 Prozent der in Gebäuden verbrauchten Energie entfällt auf den Bereich Elektrizität. Diese Energie wird jedoch häufig nicht effizient genutzt. Korridore und öffentliche Räume sind oft über lange Zeiträume beleuchtet, selbst wenn sich niemand in diesen Bereichen aufhält. Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) eines Bürogebäudes machen in der Regel etwa 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs aus. Um sicherzustellen, dass keine Energie verschwendet wird, können Unternehmen smarte Technologien in großem Maßstab einsetzen.

Eck-daten

Ein Merkmal von Smart Building ist es, zu erkennen, ob sich Personen in einem Raum oder einem Gebäude befinden. MIt diesem Wissen lässt sich dann etwa die Heizung oder die Beleuchtung anpassen, was wiederum zu Einsparungen bei den Energiekosten führt. Es gibt verschiedene Technologien, um solch ein System umzusetzen wie etwa Bildsensoren oder IR-Sensoren. Oftmals erfassen diese Sensoren nicht nur Daten, sondern verarbeiten und wandeln sie in digitale Signale um. Entsprechende Entwicklerboards sind für viele Sensoren erhätlich.

Strenge gesetzliche und branchenspezifische Bestimmungen haben in den letzten zwei Jahrzehnten auf mehr Nachhaltigkeit und Energieeffizienz gedrängt. Sie verlangen, dass bestehende Gebäude ihren Energieverbrauch reduzieren und ihre CO2-Bilanz verbessern. Neue Gebäude müssen mit nachhaltigen Materialien gebaut werden und mit intelligenten Automatisierungssystemen ausgestattet sein, die den Energieverbrauch effizient steuern.

Dabei stehen die Menschen im Mittelpunkt, die sich in den eigentlichen Gebäuden aufhalten, sei es als Bewohner oder in einem Arbeitskontext. Gebäudeautomatisierungssysteme sorgen für den Komfort der Bewohner, und daher ist die Fähigkeit eines Gebäudes, sich an die Anwesenheit oder Abwesenheit von Menschen im gesamten Gebäude anzupassen, entscheidend für die Verbesserung seiner Energieeffizienz.

Memoori ist ein unabhängiges Marktforschungsunternehmen und hat Untersuchungen durchgeführt, die zeigen, dass der Umsatz im Bereich Gebäudegesamtsysteme erheblich zunimmt. Diese Umsatzsteigerung wird durch die Fortschritte im Internet der Dinge (IoT) für smarte Gebäude angetrieben. Dieser Bereich wird immer häufiger als Building IoT (BIoT) bezeichnet. Gebäudeenergie- und -steuerungssysteme machen den größten Teil des Umsatzes aus, gefolgt von physischen Sicherheitseinrichtungen und Sicherheits-/Brandmeldetechnik (23,2 Milliarden US-Dollar). Auf der Grundlage dieser Daten prognostiziert Memoori, dass der weltweite BIoT-Markt, der 2017 nur 34,8 Milliarden US-Dollar betrug, bis 2022 einen Wert von 84 Milliarden US-Dollar haben wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 19,4 Prozent entspricht. Die Marktforscher von Research and Markets prognostizieren etwas konservativer und gehen bis 2023 von einen Wert von 52 Milliarden US-Dollar aus.

Gebäude erkennen Menschen

Bild 1: Beispiele für Python-Bildsensoren von ON Semiconductor.

Bild 1: Beispiele für Python-Bildsensoren von ON Semiconductor. Mouser

Smarte Gebäude müssen über Technologien verfügen, mit deren Hilfe sie die Anwesenheit von Personen erkennen können. Die Effizienz der verschiedenen Systeme lässt sich sogar noch optimieren, wenn sie in der Lage sind, Personen nicht nur zu erkennen, sondern ihren Standort oder ihre Bewegungen innerhalb des Gebäudes zu verfolgen. Zudem kann ein Gebäude mit künstlicher Intelligenz (KI) auch die Bedingungen eines Raumes auf der Grundlage der Präferenzen der Person anpassen und vorbereiten, die sich in diesem Raum aufhält.

Für die optische Erfassung von Personen ist der Einsatz von hochauflösenden CMOS-Bildsensoren eine der naheliegenden Möglichkeiten bei der Ausstattung smarter Gebäude. Die Bildsensoren der Python-Serie von ON Semiconductor bieten flexible Konfigurationsmöglichkeiten sowie eine präzise Bildwiedergabe bei hoher Rendergeschwindigkeit und geringem Ausleserauschen. Sie unterstützen Bildraten von 80 bis 815 FPS und eignen sich dadurch für die verzerrungsfreie Erfassung von sich schnell bewegenden Szenen. Diese Bildsensoren mit 4,5 bis 4,8 µm messenden Pixeln haben Auflösungen von VGA bis 25 Megapixel und mehrere Modelle sind für die Bewegungsüberwachung sowie für Sicherheits- und Überwachungsaufgaben optimiert. Die 2,3 Megapixel Python2000 verfügt über einen On-Chip-Verstärker mit programmierbarer Verstärkung und 10-Bit-Analog-Digital-Wandler, unterstützt Pipeline- und Global-Shutter-Auslesemodi zur Rauschunterdrückung und bietet einen erhöhten Dynamikbereich durch korrelierte Doppelabtastung (CDS).

Kameras sind auf Sichtverbindung angewiesen, deshalb sind für Erfassungs- und Überwachungsaufgaben mehrere Kameras in einem Bereich oder Raum notwendig. Dabei besteht jedoch auch die Gefahr einer Verletzung der Privatsphäre. Dies lässt sich durch den Einsatz eines maschinellen Bildverarbeitungssystems verhindern, das menschliche Gesichter ausblendet. Um ein solches System umzusetzen, müssen Monteure die Kameras sichtbar an den Wänden montieren. So sehen die anwesenden Personen unmittelbar, dass sie unter Beobachtung stehen.

Für die Steuerung der Beleuchtung würde die Erfassung der Anwesenheit von Personen zwar ausreichen, aber ein smartes Gebäude muss auch in der Lage sein, Personen im Raum zu zählen, um beispielsweise die Belüftung bedarfsgerecht zu steuern. Dafür ist der Einsatz von Algorithmen auf der Grundlage von Anwesenheitserkennungsmodellen notwendig, mit denen sich die Anzahl der Bewohner ohne den Einsatz von Kameras schätzen lässt. Zusammen mit den Informationen von Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- und CO2-Sensoren kann das HLK-System dann automatisch die optimalen Umgebungsbedingungen einstellen.

Passiv-Infrarot-Bewegungssensoren (PIR) gehören zu einer weiteren Art von Präsenzmeldern. In Bezug auf die Verletzung der Privatsphäre sind sie weniger problematisch und zudem sehr kostengünstig. Die Serien EKMB und EKMC von Panasonic bieten beispielsweise einen weiten Erfassungsbereich. Sie haben eine flache und rechteckige Form und einen Erfassungswinkel in einer Achse von bis zu 150°. Sie sind als 1 µA-, 2 µA- und 6 µA-Modelle für batteriebetriebene Anwendungen erhältlich, ermöglichen überlappende Erfassungsbereiche und erkennen dadurch auch Objekte oder Personen, die sich direkt auf den Sensor zubewegen.

Bild 2: IR-Sensor D6T von Omron.

Bild 2: IR-Sensor D6T von Omron. Mouser

Bei der D6T-Serie von Omron Electronics handelt es sich um hochempfindliche IR-Thermosensoren. Im Gegensatz zu PIR-Sensoren, die auf Bewegungserkennung basieren, erfassen sie die Anwesenheit von stehenden Personen über die Körperwärme. Neben dem automatischen Ausschalten von Licht oder Klimaanlagen bei Abwesenheit von Personen eignen sie sich auch zur Überwachung der Raumtemperatur und zur Erkennung ungewöhnlicher Veränderungen wie etwa Überhitzung und helfen so beim vorbeugenden Brandschutz.

Die Serie IWR1642 von Texas Instruments umfasst Single-Chip-mmWave-Sensoren, die auf der FMCW-Radartechnologie basieren und in den Frequenzbändern von 76 bis 81 GHz mit bis zu 4 GHz Bandbreite arbeiten. Texas Instruments konzipierte die Sensoren in einem proprietären, stromsparenden 45-nm-RFCMOS-Prozess. Sie beinhalten ein DSP-Subsystem mit einem leistungsstarken C674x-Prozessorkern für die HF-Signalverarbeitung sowie ein ARM-R4F-basiertes Prozessor-Subsystem, das die Frontend-Konfiguration und -Steuerung übernimmt und die Kalibrierung ermöglicht.

Neben der Zutrittskontrolle können RFID-Systeme auch bis zu einem gewissen Grad zur Zählung der in gewerblichen Gebäuden anwesenden Personen eingesetzt werden. In den meisten Fällen lässt sich mit diesem Ansatz die Gesamtzahl der Personen innerhalb eines Mehrmietergebäudes ermitteln. Eine granulare Verfolgung der Bewohner ist jedoch nur in einem Gebäude oder einer Einrichtung praktikabel.

Sensor-Arrays oder -Systeme

Die verschiedenen Arten der Anwesenheitserkennung und Sensoren zur Personenverfolgung und -zählung haben ihre Vor- und Nachteile. Bei deren Abwägung sind sowohl Kosten wie auch die Anordnung der Räume innerhalb eines Gebäudes zu beachten. Daher ist es sinnvoll, bei der Entwicklung von Systemen eine Kombination oder ein Array von Sensoren in Betracht zu ziehen, um die Genauigkeit in einer bestimmten Umgebung zu verbessern. Diese Sensoren sollten auch wartungsarm sein und dadurch zur Gesamtreduzierung des Energieverbrauchs beitragen.

Bild 3: Das LAUNCHXL-CC1352R1-Launchpad-Entwicklungskit von Texas Instruments.

Bild 3: Das LAUNCHXL-CC1352R1-Launchpad-Entwicklungskit von Texas Instruments. Mouser

Ein Referenzdesign zur Anwesenheitserkennung verwendet den IWR6843 mmWave-Sensor von Texas Instruments. Dieses Design ist für Anwendungen zur Personenzählung im Innen- und Außenbereich geeignet und beinhaltet die Entwicklungsmodule MMWAVEICBOOST und IWR6843ISK sowie das drahtlose LAUNCHXL-CC1352R1-Mikrocontroller-Launchpad

Das PIR- Anwesenheitssensor-Evaluierungskit von Silicon Labs ist ein Zusatzboard für die Starterkits EFM32 und EFR32. Es ermöglicht Anwesenheits- und Umgebungslichtsensorsysteme mit angeschlossenen und nicht angeschlossenen MCUs. Es ist mit dem Starterkit SLSTK3402A EFM32 PG12 kompatibel und bietet außerdem eine Echtzeit-GUI-Anzeige von PIR-Bewegungssignalen, eine Performanceübersicht sowie Testmethoden.

Wenn die Sensoren in der Lage sind, ohne Strombedarf zu arbeiten, ist ihre Fähigkeit, die Energieeffizienz in Gebäuden zu verbessern, natürlich noch größer. Die Transcend-Serie drahtloser Anwesenheitssensoren von Molex sind selbstversorgend und damit eine kostengünstige Möglichkeit, den Energieverbrauch in unbesetzten Räumen zu steuern. Sie „ernten“ Sonnenenergie von Innenbeleuchtungen und verwenden HF-Technologie, um drahtlos mit anderen Transcend-Geräten in der Umgebung zu kommunizieren. Mit Hilfe dieser Sensoren kann das Gebäudeautomationssystem etwa Temperaturen herunterfahren oder Beleuchtungen ausschalten, wenn ein Raum für eine bestimmte, vordefinierte Zeitspanne unbesetzt war.