Drucksensoren in Smartphones Was der Luftdruck verrät

Drucksensorn zum Beispiel im Smartphones können für viele Anwendungen genutzt werden.
Viele Sensorarten in dem Smartphones um allen Anwendungen zu bedienen.

Smartphones sind heute mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet: Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Magnetsensoren und, und, und. Noch relativ unbekannt sind barometrische Drucksensoren für die Messung des Luftdrucks. Für welche Anwendungen können diese sinnvoll eingesetzt werden?

Derzeit werden vor allem noch Premium-Smartphones mit barometrischen Drucksensoren ausgestattet. Immer häufiger findet man sie aber auch in günstigeren Modellen sowie in Wearables – beispielsweise in Fitness-Trackern oder IoT-Anwendungen (Internet of Things).

Doch wozu wird der Luftdruck gemessen? Als Luftdruckmesser spielt ein barometrischer Drucksensor eine wichtige Rolle bei der Wettervorhersage: Ist der Luftdruck beispielsweise niedrig, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es regnen wird. Darüber hinaus ist der Luftdruck auch von der Höhenlage abhängig, sodass ein Drucksensor präzise Angaben zu vertikalen Standortveränderungen machen kann. Im Smartphone oder in Wearables entstehen daraus neue Anwendungsbereiche und Funktionen von barometrischen Drucksensoren.

Indoor-Navigation

Die Indoor-Navigation zählt wohl zu den spannendsten Anwendungen dieser Sensoren. Der Sensor misst den Luftdruck und stellt aufgrund der ermittelten Daten fest, in welchem Stockwerk eines Gebäudes der Benutzer sich gerade aufhält. Das ist zum Beispiel nützlich, um sich in einem großen Einkaufszentrum oder in einer Tiefgarage zu orientieren.

In großen, modernen Gebäuden ist der Empfang des GPS-Signals häufig gestört, sodass die Standortermittlung per GPS nicht funktioniert. Um die Navigation auch in solchen abgeschirmten Umgebungen zu ermöglichen, können die Höhendaten eines Drucksensors mit den Schrittzählerdaten eines Beschleunigungssensors zu einer dreidimensionalen Matrix kombiniert werden – diese Methode wird auch als 3D-Navigation bezeichnet.

Von entscheidender Bedeutung ist die Standortermittlung in einem Gebäude, wenn eine Person einen Notruf abgesetzt hat und man wissen möchte, wo sich der Anrufer aufhält. In den USA etwa schreiben die aktualisierten E911-Regeln der Federal Communication Commission (FCC) vor, dass der geografische Standort einer Person, die innerhalb eines Gebäudes die Notrufnummer 911 gewählt hat, vollautomatisch an die Notrufzentrale übermittelt wird. Voraussetzung dafür ist, dass jedes Smartphone künftig mit einem Drucksensor ausgestattet ist, mit dessen Daten der Standort des Anrufers in einem großen Gebäude exakt ermittelt werden kann.

Kennzeichnend für diesen neuen Trend von Drucksensoren in Smartphones und anderen Geräten ist auch die Zusammenarbeit zwischen Bosch Sensortec und NextNav in der Entwicklung von Lösungen zur stockwerksgenauen Höhenermittlung. Durch den Einsatz der barometrischen Drucksensoren von Bosch Sensortec in seinem Metropolitan Beacon System (MBS) kann NextNav nun hochpräzise Höhendaten bereitstellen. Die Sensordaten werden genutzt, um Wetterveränderungen oder Einflüsse des örtlichen Mikroklimas auszugleichen und so für eine bestimmte Metropolregion eine noch präzisere Datenlage zu erreichen. Bild 1 zeigt die Messdaten eines handelsüblichen Smartphone, das mit einem Drucksensor von Bosch Sensortec ausgestattet ist. Anhand des Graphen lässt sich ablesen, dass die vom Bosch-Sensor gelieferten Daten sehr gut mit den Werten hochpräziser Referenzgeräte übereinstimmen.

Unterstützung des GPS-Systems

Selbst unter freiem Himmel stößt die GPS-Technik manchmal an ihre Grenzen. Durch Hindernisse wie hohe Bäume oder Gebäude, ungünstige Wetterbedingungen oder eine ungenügende Anzahl an verfügbaren Satelliten kann die Genauigkeit der GPS-Messung erheblich eingeschränkt werden. Verfügt das Smartphone in einem solchen Fall zusätzlich über einen Drucksensor, kann es die ermittelten Höhenwerte jedoch mit bekannten Geländeerhebungen aus einer Datenbank abgleichen und so die Positionsfehler der GPS-Signale ausgleichen.

Bestimmte Höhenmessungen sind grundsätzlich allein per GPS möglich. Wirklich vollständig und zuverlässig sind sie jedoch nur bei einer optimalen Signalübertragung – also außerhalb von geschlossenen Räumen und bei unbedecktem Himmel. Unter allen anderen Bedingungen können die Abweichungen zehn Meter und mehr betragen. Bild 2 gibt die Höhenmessungen für eine Person wieder, die durch eine Senke und bis auf das Dach eines vierstöckigen Parkhauses läuft. Die Ungenauigkeit der GPS-Messwerte im Vergleich zu den Daten des barometrischen Drucksensors ist offensichtlich.