Wärmesensor-Arrays für ausgefeilte Gebäudeautomation

Die Isolation von Dächern und Wänden, Doppelverglasung und LED-Beleuchtung haben dafür gesorgt, dass sich der Wärme- und Elektrizitätsverbrauch von Wohn- und Gewerbegebäuden in den vergangenen 50 Jahren entscheidend verringert hat. Ungeachtet dieser Fortschritte gibt es nach wie vor viele Ineffizienzen, wenn es darum geht, die Gebäude zu betreiben. Beispielsweise sind Räume oftmals falsch dimensioniert, was zu einer unzureichenden Nutzung führt. Ebenfalls kommt es zu einer Energieverschwendung, wenn ungenutzte Räume beleuchtet und beheizt werden. Hinzu kommt, dass konventionelle Technologien zum Beheizen von Innenräumen den Personen in diesen Räumen nur auf ineffiziente Weise Wärme und Behaglichkeit bieten.

Die Grundursache für diese Ineffizienz war bisher stets der Mensch als das schwächste Glied jeglicher Gebäudeleittechnik. Es ist leider ein Fakt, dass Menschen immer wieder das Licht eingeschaltet lassen, wenn sie einen Raum verlassen, Besprechungsräume reservieren und diese anschließend nicht nutzen oder eine zu hohe Zieltemperatur einstellen, wenn sie einen kalten Raum betreten. Dies bedeutet wiederum, dass sowohl die einzelnen Gebäudebetreiber als auch der gesamte Planet davon profitieren würden, wenn Gebäude sich eigenständiger regeln könnten. Eine verbesserte Gebäudeautomation könnte die Treibhausgas-Emissionen infolge der Heizungs-, Lüftungs- und Beleuchtungssysteme der Gebäude verringern und gleichzeitig die Betriebskosten senken.

KI spart Energie in der Gebäudeautomation

Das Voranschreiten in Richtung dieses wünschenswerten Ziels wird jetzt durch zwei parallele Trends beschleunigt. Erstens sehen die weltweiten Vorschriften für Wohn- und Geschäftsgebäude immer strengere Mindeststandards für die Energieeffizienz und die Qualität der Innenraumluft vor. Zweitens sorgt die Kommerzialisierung bezahlbarer Halbleitertechnologie zur Implementierung künstliche Intelligenz (KI) auf der Basis umfangreicher Datenbestände dafür, dass Maschinen jetzt Entscheidungen fällen können, die nach einer menschenähnlichen Interpretation komplexer, mehrdeutiger Daten verlangen.

Dies hat zur Folge, dass die Hersteller beispielsweise von HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung, Klima), Sicherheits- und Zugangskontroll-Systemen, Beleuchtungssteuerungen und Gebäudeautomations-Systemen bestrebt sind, sich einen Anteil an einem Markt zu sichern, dessen Volumen Experten für das Jahr 2020 auf insgesamt 75 Mrd. US-Dollar schätzen. Der Nutzen der nächsten Generation von Gebäudeautomations-Systemen wird teils in der Technologie liegen, die zur Präsenzerkennung, zum Zählen von Menschen und zum Messen von Innenraumtemperaturen Verwendung findet. Für jede dieser Funktionen lässt sich Infrarotstrahlung beziehungsweise das Erfassen dieser nutzen. Technologische Fortschritte ermöglichen auch hier neue Funktionalität und einen sinnvolleren Betrieb von Systemen wie etwa Beleuchtungssteuerungen sowie Heizungs- und Lüftungsregelungen.

Welche Möglichkeiten intelligente Gebäudeautomationssysteme bieten

Wärmebild einer Hand, erzeugt mit dem MLX90640 und dargestellt auf einem farbigen Tianma-LCD auf der Rückseite des Referenzdesign-Boards Sequana von Future Electronics. Future Electronics

Die Fernerfassung von Wärme mithilfe von Ferninfrarot-Sensoren (FIR) eignet sich ideal zum Detektieren von Objekten, die Infrarotstrahlung in einem weiten Bereich von Wellenlängen abgeben. Wärmebildgeber detektieren einen Teil des Wärmestrahlungs-Spektrums, beispielsweise zwischen 700 nm und 1300 nm. Da Wärmesensoren somit nicht im sichtbaren Teil des Lichtspektrums arbeiten, kommen sie ohne Beleuchtung aus und funktionieren bei Tageslicht ebenso effektiv wie bei Nacht. Infrarot-Wärmesensoren ermöglichen eine berührungslose, präzise Temperaturmessung und lassen sich deshalb sowohl zur Erkennung wärmeabgebender Objekte als auch zur Messung von Oberflächentemperaturen einsetzen.

Von großem Nutzen sind diese Fähigkeiten in intelligenten Gebäudeautomationssystemen, in denen sie sich für folgende Zwecke verwenden lassen:

• Optimierte Raumnutzung durch Detektierung ungenutzter Bereiche und Zuordnung von Anwendern, die Räume reserviert haben, zu den verfügbaren Bereichen eines Gebäudes. Hierdurch können Gebäudebetreiber die Bereitstellung von zu viel Platz vermeiden, der letztendlich unzureichend genutzt wird.
• Automatische Regulierung von Beleuchtung und Belüftung entsprechend der Raumbelegung. Hierzu kann beispielsweise das Licht in ungenutzten Bereichen abgeschaltet werden, oder der Zustrom von Frischluft in dicht besetzten Räumen wird gesteigert, um die Luftqualität zu wahren.
• Automatische Regulierung der Heizung, um Wärme dort zur Verfügung zu stellen, wo sie benötigt wird. Der Konvektionsheizungs-Effekt von Heizkörpern bewirkt, dass tendenziell vorwiegend die Randzonen eines Raums erwärmt werden. In der Mitte großer Räume aber, wo sich die Menschen normalerweise aufhalten, können einzelne Bereiche zu kühl bleiben. Mithilfe eines Wärmesensors, der die Temperatur von Oberflächen in der Nähe der Personen misst, kann die Heizungsregelung dafür sorgen, dass die Zieltemperatur im tatsächlich belegten Teil eines Raums auch wirklich erreicht wird.

Bis vor Kurzem standen für diese wärmebasierte Präsenzerkennung in der Gebäudeautomation nur zwei Arten von Wärmesensoren zur Verfügung, die allerdings beide gravierende Nachteile aufweisen. Auf der einen Seite liefert eine vollwertige Infrarot- oder Wärmebildkamera ein sehr detailliertes Bild des Wärmeprofils einer Szenerie. Dies geht sogar so weit, dass der Beobachter erkennen kann, was die Personen im Raum gerade tun (Bild 1). Für Sicherheits- und Überwachungssysteme ist dies von großem Nutzen, aber in Gebäudeautomations-Systemen genießt die Privatsphäre der Personen einen hohen gesetzlichen Schutz, weshalb die Verwendung einer Infrarotkamera nach der Anwendung aufwendiger Datenschutz- und Sicherungsprotokolle verlangt. Weil Gebäudeautomations-Systeme außerdem keine Personen identifizieren oder deren Aktivitäten überwachen müssen und Infrarot-Bildsensoren teuer sind, kommt diese Technologie grundsätzlich nicht in Frage.

Auf diesem Sequana-Thermal-Referenzdesign-Board von Future Electronics sind der MLX90640 (links in der Mitte) und ein Präsenzdetektor des Typs EKMB1393111K von Panasonic erkennbar (rechts in der Mitte). Future Electronics

Am anderen Ende des Spektrums finden sich die einfachen PIR-Sensoren (Pyroelectric Infrared Sensors), wie man sie von Bewegungsmeldern für Leuchten und Alarmanlagen kennt. Diese Sensoren sind zwar kostengünstig, können aber keine Personen detektieren, die sich nicht bewegen. Hinzu kommt, dass sie einfach nur die Bewegung von Objekten detektieren, die Infrarotstrahlung im Bereich von 10 µm Wellenlänge emittieren. Temperaturen lassen sich mit ihnen dagegen nicht messen.

Zwischen diesen beiden Sensortypen fehlt es also an einer Lösung, die ein Wärmebild mit hinreichend detaillierten und damit sinnvollen Temperaturdaten erzeugen kann, ohne die Privatsphäre der Anwender zu beeinträchtigen.

Wärmesensor-Arrays schließen Lücke zwischen Infrarotkamera und PIR-Sensor

Genau diese Lücke will Melexis mit seinen Wärmesensor-Arrays der Reihe MLX9064x schließen. Der MLX90640 als erstes Produkt dieser Serie liefert ein Wärmebild aus 32 × 24 = 764 Pixeln (Bild 2). Der Baustein wird in zwei Versionen angeboten, die ein Sichtfeld von 55° × 35° bzw. 110° × 75° besitzen.

In einem großen Indoor-Bereich wie etwa einem Besprechungs- oder Konferenzraum ist die Auflösung des MLX90640 von 32 × 24 Pixeln einerseits so gering, dass eine Identifikation von Personen oder persönlichen Details ausgeschlossen ist, andererseits aber auch so hoch, dass das System die im Raum anwesenden Personen zählen kann. Durch die Aufteilung des Sensor-Sichtfelds in einzelne Pixel kann der Sensor außerdem ein relativ detailliertes Temperaturprofil erstellen. Die Temperatureinstellungen lassen sich deshalb an die tatsächlichen Empfindungen der Anwender im Raum anpassen, anstatt eine globale Solltemperatur vorzugeben und die Ist-Temperatur mithilfe eines Thermostats zu messen, der sich an der Wand und somit in einiger Entfernung von den Personen befindet.

Der MLX90640 wird in einem herkömmlichen, für Durchsteck-Montage vorgesehenen TO39-Gehäuse mit integrierter Optik angeboten und ist klein genug für den Einbau in die unterschiedlichsten Arten von Host-Geräten, darunter Deckenleuchten, Belüftungseinheiten für Wand- oder Deckenmontage, Tisch-Luftreiniger oder sogar Smart Speaker.

Entscheidend ist, dass Designingenieure die vom MLX90640 bereitgestellten Daten vertrauensvoll nutzen können, denn der Baustein bietet über seinen gesamten Messbereich von -40 °C bis +300 °C eine Genauigkeit von typisch ±1 °C. Diese hohe Genauigkeit ist ein Ergebnis des speziellen Pixeldesigns von Melexis, das für eine sehr geringe Beeinträchtigung des Infrarotsignals durch Rauschen sorgt. Sein NETD-Wert (Noise Equivalent Temperature Difference) beträgt 0,1 K_rms bei einer Abtastfrequenz von 1 Hz.

Überlegungen zum praktischen Einsatz von Wärmesensor-Arrays

Das Sequana-Thermal-Board (links) befindet sich hier auf dem Sequana-Embedded-Computing-Mainboard. Future Electronics

Wärmesensor-Arrays wie der MLX90640 von Melexis bringen für die Implementierung des Hardwaredesigns keine Schwierigkeiten mit sich. Der Baustein besitzt vier Anschlüsse, nämlich zwei für die Stromversorgung, eine für den Takteingang des I²C-Interface und den seriellen Daten-Ein- und Ausgang der I²C-Schnittstelle.

Schwierigkeiten könnten allerdings beim Implementieren der Firmware und der Software für die jeweilige Anwendung entstehen. Über das I²C-Interface kann der MLX90640 Temperaturdaten von jedem der insgesamt 764 Pixel liefern. Mithilfe detaillierter Registereinstellungen lassen sich Parameter wie Verstärkung, Empfindlichkeit, Offset und Auflösung einstellen. Die Firmware befindet sich außerhalb des Sensors in einem Mikrocontroller oder Applikationsprozessor.

Diese Firmware von Grund auf neu zu entwickeln, wäre eine immense Aufgabe, jedoch können OEMs ihren Evaluierungs-Zeitplan straffen. Von Melexis gibt es eine kostenlose Treibersoftware für Mikrocontroller. Weiter beschleunigen lässt sich das Entwickeln von Machbarkeitsstudien zu neuen Designs für Gebäudeautomations-Equipment mithilfe eines Referenzdesign-Boards der Entwicklungslabors in den Kompetenzzentren von Future Electronics. Das neue Sequana-Thermal-System besteht aus einem Temperaturerfassungs-Daughterboard (Bild 3), das mit einer von zwei Controllerplatinen zur Ansteuerung eines farbigen 4,3-Zoll-LCD-Monitors verbunden ist.

Das Sensor-Daughterboard ist mit einem MLX90640 und einem PaPIRs-Bewegungssensor des Typs EKMB1393111K von Panasonic bestückt. In einer realen Anwendung lässt sich der PaPIRs-Sensor im Sleep-Modus nutzen, um den MLX90640 zu nutzen. So lässt sich der Gesamt-Stromverbrauch des Systems verringern. Die PaPIRs-Sensoren der EKMB-Familie von Panasonic besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Linsen und sind für verschiedene Anwendungsgebiete mit Standby-Strömen von 1 µA, 2 µA oder 6 µA erhältlich.

Die Anwender haben die Wahl zwischen zwei Controller-Boards, die auf dem 32-Bit-Mikrocontroller STM32F746G von STMicroelectronics beziehungsweise auf dem i.MX RT1050 von NXP Semiconductors, einem Crossover-Produkt zwischen Applikationsprozessor und Mikrocontroller, basieren (Bild 4). Zum Lieferumfang des Sequana-Thermal-Systems gehört die unter dem Mbed-Betriebssystem laufende Melexis-Firmware, sodass Entwickler Evaluationen des Wärmesensors für ihren Anwendungsfall unmittelbar in Angriff nehmen können. Erleichtert wird die Evaluierung zudem durch die Tatsache, dass sich die vom Sensor produzierten Wärmedaten auf dem Farbmonitor visualisieren oder über das USB-Interface des Boards an einen Host-PC exportieren lassen.

Zusammenfassung

Integrieren Entwickler den MLX90640 in Endprodukte wie etwa Leuchten, Beleuchtungssteuerungen oder Thermostate, erhalten OEMs die Gelegenheit zum Implementieren neuer Personenzähler- oder Heat-Mapping-Funktionen. Die von dem Baustein ausgegebenen Daten können anspruchsvollen Gebäudemanagement-Systemen zur Verfügung gestellt werden, die den Komfort für die Nutzer steigern oder den Energieverbrauch eindämmen können, während die Betreiber gleichzeitig keinerlei Bedenken wegen eventueller Verletzungen der Privatsphäre hegen müssen.

Wenn Designer das Sequana-Thermal-Board als Machbarkeitsstudie für die Entwicklung von Designs auf MLX90640-Basis nutzen, können sie rasch feststellen, wie sich der Sensor in der vorgesehenen Anwendung verhält.

(prm)