Entwickler können für die Integration von Funktionen zur Messung von Umwelt-Parametern auf ausgefeilte Algorithmen zur Sensorfusion zurückgreifen. Mit diesen lassen sich Informationen zu Luftqualität, Temperatur, Feuchtigkeit und Gesamtkomfort generieren. Gesundheit und Komfort hängen auf eine Art und Weise eng mit Umgebungseinflüssen zusammen, die weit über die bloße Messung grundlegender Parameter hinausgeht. Die Wahrnehmung einer angenehmen Temperatur durch den Menschen hängt nicht nur von der Temperatur selbst, sondern auch vom Feuchtigkeitsgrad ab. Gesundheitsexperten fassen Temperatur und Feuchtigkeit zu einem Hitzeindex zusammen, der bei hohen Werten vor erheblichen Gesundheitsrisiken warnt. Der Hitzeindex prognostiziert, dass Personen, die bei einer bestimmten Umgebungstemperatur arbeiten, bei einer Zunahme der Feuchtigkeit erheblichen Gesundheitsrisiken ausgesetzt sein können (Bild 1).

Bild 1: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit haben in Kombination Auswirkungen auf den Menschen. Von daher ist es hilfreicher, beide Umwelt-Werte gleichzeitig zu messen.

Bild 1: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit haben in Kombination Auswirkungen auf den Menschen. Von daher ist es hilfreicher, beide Umwelt-Werte gleichzeitig zu messen. Nationaler Wetterdienst der USA

Bild 2: Der Mensch nimmt einen Komfortbereich wahr, der eng begrenzt wird von Schwankungen bei Temperatur und relativer Feuchtigkeit, die im Extremfall zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen können, etwa zu einem Hitzschlag.

Bild 2: Der Mensch nimmt einen Komfortbereich wahr, der eng begrenzt wird von Schwankungen bei Temperatur und relativer Feuchtigkeit, die im Extremfall zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen können, etwa zu einem Hitzschlag. US-Bundesbehörde für Luftfahrt

Experten für Humanfaktoren gehen noch weiter und definieren einen subjektiven Komfortbereich, der auf einem neuen Parameter basiert, der effektiven Temperatur. Dieser Umwelt-Parameter kombiniert Temperatur und Feuchtigkeit in einem Index. Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderungen können schnell zu einer Umgebung führen, die sich für eine typische Person nicht mehr angenehm anfühlt (Bild 2).

Bild 3: Forscher haben festgestellt, dass die Leistung bei einer effektiven Temperatur außerhalb eines relativ kleinen Bereichs konstant abfällt.

Bild 3: Forscher haben festgestellt, dass die Leistung bei einer effektiven Temperatur außerhalb eines relativ kleinen Bereichs konstant abfällt. Lawrence Berkeley National Laboratory

Wie beim Hitzeindex können dramatische Änderungen von Temperatur, Feuchtigkeit oder beidem außerhalb des Komfortbereichs schnell zu einer Situation führen, die mehr als nur unangenehm ist. Über einem temperaturabhängigen Feuchtigkeitsgrad besteht sogar die Gefahr eines Hitzschlags. Während weit außerhalb des Komfortbereichs liegende Werte Auswirkungen auf die Gesundheit haben können, können bereits relativ moderate Änderungen der effektiven Temperatur die menschliche Leistungsfähigkeit beeinträchtigen (Bild 3).

Luftqualitätsindex

Bild 4: Umweltschutz- und Gesundheitsorganisationen verwenden einen Standard-Luftqualitätsindex, um die lokale Bevölkerung auf Luftbedingungen hinzuweisen, die eine Reihe von Gesundheitsrisiken darstellen können.

Bild 4: Umweltschutz- und Gesundheitsorganisationen verwenden einen Standard-Luftqualitätsindex, um die lokale Bevölkerung auf Luftbedingungen hinzuweisen, die eine Reihe von Gesundheitsrisiken darstellen können. Umweltschutzbehörder der USA

Es sind jedoch keineswegs nur Umwelt-Daten wie Temperatur und Feuchtigkeit, die sich auf Gesundheit und Wohlbefinden auswirken. Aus verschiedenen natürlichen und künstlichen Quellen stammende flüchtige organische Verbindungen stellen eine besonders tückische Gefahr für die Luftqualität dar. Aufgrund der Bedeutung der Luftqualität für die Gesundheit fassen Organisationen wie die Umweltschutzbehörde der USA die verschiedenen Parameter zur Definition der Luftqualität in einem einzigen Index zusammen (Bild 4). Der Luftqualitätsindex, der üblicherweise als Gesundheitsindikator für Städte und größere geografische Regionen angegeben wird, findet direkte Anwendung in Mikroklimata, Gebäuden sowie anderen Bereichen mit hohem Personenaufkommen. Hoch entwickelte Heiz-, Belüftungs- und Klimasysteme in großen Gebäuden sind im Rahmen der Steuerung des Luftstroms in irgendeiner Form auf die Messung der Luftqualität angewiesen.

Für Ingenieure bringen die komplexen Zusammenhänge zwischen grundlegenden Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und flüchtigen organischen Verbindungen erhebliche Herausforderungen beim Design von Sensorsystemen zum Erhalt von Gesundheit und Wohlbefinden mit sich. Auf der grundlegendsten Ebene müssen die Designer jeden einzelnen dieser Faktoren exakt messen.

In der Vergangenheit konnten die Entwickler diese Sensorikprobleme durch das Kombinieren von Wandlern mit maßgeschneiderten Signalketten zur Verarbeitung der Rohspannung und des Ausgangsstroms lösen. Mit dem Einzug intelligenter Sensoren konnte die Entwicklung von Erfassungssystemen erheblich vereinfacht werden. Durch die Integration von Wandler, Sensorsignalkette, Analog-Digital-Wandler (ADC) und Steuerungslogik können intelligente Sensoren eine Host-MCU mit exakten temperaturkompensierten digitalen Sensordaten versorgen. Die Entwickler müssen diese Bausteine lediglich über SPI- oder I2C-Schnittstellen mit den MCUs verbinden, die vom integrierten Sensor allgemein unterstützt werden.

Dennoch stellen selbst mehrere einzelne intelligente Umwelt-Sensoren keine effektive Lösung für abgeleitete Analysewerte wie den Komfortbereich und den Luftqualitätsindex dar. Außerdem führt die Verwendung mehrerer Sensoren zu komplexeren Designs, längeren Stücklisten und größerem Platzbedarf. Dieser Umstand erschwert es den Entwicklern, dem Wunsch der Kunden nach kleineren und effizienteren Designs nachzukommen.

Möglicherweise noch schlimmer ist, dass bei Designs mit mehreren Sensoren erhebliche Probleme bei den Funktionalitätsanforderungen auftreten. Das gilt auch für Designs mit intelligenten Sensoren. Selbst für das Ableiten eines so grundlegenden Messwerts wie der effektiven Temperatur müssen die Entwickler die zugrunde liegenden Sensormessungen zur Verwendung in den Sensorfusionsalgorithmen synchronisieren. Mit dem Bosch Sensortec BME680 entfallen diese Designbeschränkungen.

 

Mehr Details zum BME680 und wie sich sein Stromverbrauch regulieren lässt, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

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