Intelligente Umwelterfassung Mit allen Sinnen

Big Data ist für sich genommen nicht unethisch - allerdings muss auf den richtigen Umgang mit den vielen Daten geachtet werden.
Intelligente Gebäude sammeln nicht nur Daten, sie müssen diese auch auswerten und einordnen können.

Sensoren werden immer kleiner, besser und schneller, doch auch die Anforderungen an sie steigen. Ein moderner Sensor muss nicht nur messen können, sondern diese Daten auch interpretieren, autonom funktionieren und vor allem energiesparend sein – ein Ausblick.

Menschen überwachen ihre Umgebung ständig, allerding nur unterbewusst: ein Lüftchen, das über das Gesicht streicht, eine Bewegung in den Augenwinkeln, ein kleiner Druckunterschied im Ohr oder an den Fußsohlen, alles wird wahrgenommen und in Sekundenschnelle analysiert und eingeordnet. Um es mit dieser Wahrnehmungsfähigkeit aufnehmen zu können, benötigen Überwachungssysteme eine gut konstruierte und konfigurierte Anordnung von Sensoren, die ihnen alle notwendigen Daten zur Verfügung stellen. So sollen diese Systeme nicht nur ihre jeweilige Aufgabe unmittelbar erfüllen, sondern auch ein »Situationsbewusstsein« entwickeln, um jede Lage erfassen zu können.

Ein gutes Beispiel dafür sind intelligente Gebäude. Sie benötigen Daten nicht nur zur direkten Ausführung ihrer eigentlichen Funktion, sondern auch Informationen über ihre Umgebung, um einen unter allen Umständen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das bezieht auch außergewöhnliche Ereignisse ein, wie etwa ein Erdbeben. Neben den smarten Systemen stellen auch Verbraucherprodukte höhere Ansprüche an Sensoren. Schrittzähler, Drohnen und Smartphones erhalten mehr und mehr Funktionen und sollen immer autonomer werden, was sich nur noch mit auf sie zugeschnittenen Sensorlösungen erreichen lässt.

Insgesamt lassen sich drei große Trends in der Sensorentwicklung beobachten: Erstens, die Integration mehrerer Sensoren auf einer gemeinsamen Plattform über nur eine Schnittstelle, um das Systemdesign zu vereinfachen. Zweitens, durch Algorithmen verbesserte Sensoren, die die gesammelten Daten vor Ort interpretieren können. Drittens, die Evolution neuer Produktklassen speziell für batteriebetriebene Systeme mit möglichst niedriger Leistungsaufnahme – wie etwa bei Drohnen.

Ein Sensor – viele Messungen

Mit einem Mehrzweck-Umgebungssensor lassen sich zahlreiche unterschied¬liche Messaufgaben mit nur einer Sensoreinheit bewerkstelligen. Diverse kundenkonfigurierbare Optionen sparen Entwicklungszeit. Ob es darum geht, die optimale Bürotemperatur aufrechtzuerhalten oder, dass in einem Museum die richtige Luftfeuchte und Beleuchtung zum Schutz der Exponate herrschen – diese Sensoren bieten leicht interpretierbare Daten, die sich analysieren und in der Cloud speichern lassen. Außerdem werden sie dazu verwendet, Parameter einzustellen oder Echtzeit-Anpassungen vorzunehmen.

Sieben Kernparameter sollte jeder Umgebungssensor für Gebäude-und Industriesysteme überwachen können: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, UV-Index, Luftdruck, Störgeräusche und Beschleunigung. Eine weitere Anforderung ist ein eingebauter Speicher, um Daten eine Zeitlang vor Ort zu speichern. Sensoren müssen Cloud-kompatibel sein, auch ohne zusätzliche Hardware. Dem Kundenwunsch angepasste Schwellenwerte lassen sich festlegen, um den Anwender bei ungewöhnlichen Messergebnissen zu alarmieren. Diese neue Sensoren¬generation erfordert überdies flexible Schnittstellen, um nicht nur in Gebäudeautomatisierungsinfrastrukturen zu passen, sondern auch in Mobilgeräte usw. Ein weiteres Schlüsselthema ist der Energieverbrauch. Potenzielle Einsatzgebiete sind die Überwachung und Steuerung von Industrie- und Büroräumen sowie Anwendungen im Wohn- und Außenbereich.

Sensoren wie zum Beispiel Omrons 2JCIE können all dies überwachen und übermitteln ihre Daten über bekannte verdrahtete und drahtlose Datenschnittstellen wie USB und Bluetooth. Trotz seiner kleinen Bauform verfügt der 2JCIE über einen eignen integrierten Speicher für die Daten¬aufzeichnung, um so die Umgebung im Blick zu behalten.

Integrierte Algorithmen – der Erdbebensensor

Während es durchaus nützlich ist, einen reinen Wert aufzuzeichnen, etwa eine Änderung der Beschleunigung, müssen diese Daten doch oft erst interpretiert werden, um wirklich von Nutzen zu sein. Wackelt ein Gebäude, weil gerade ein Zug vorbeigefahren ist oder handelt es sich um ein Erdbeben? Das Erste lässt sich ignorieren, das Zweite erfordert eventuell ein bestimmtes Vorgehen und konkrete Maßnahmen. Erdbeben kommen weltweit äußerst häufig vor und können bekanntermaßen erhebliche Schäden anrichten. Durchschnittlich 50 Beben finden täglich statt, pro Jahr sind das etwa 20.000. Von einem Systemdesigner kann man kaum erwarten, dass er den seismischen Unterscheid zwischen einem Zug und einem Erdbeben kennt und diese Unterscheidung auch dem Sensor beibringt. Und er wird auch nicht wertvolle Systemressourcen darauf verwenden wollen, Hintergrundbewegungen in Form einer Daueraufgabe zu verfolgen.

Ein Erdbebensensor wie Omrons D7S kann Impulsgeräusche durch Vibrationen herausfiltern und reagiert so ausschließlich auf »echte« seismische Aktivitäten. Handelt es sich wirklich um ein Erdbeben, erkennt dies der D7S dank Omrons selbst entwickelten Algorithmen zur Wertberechnung der spektralen Intensität (SI). Mit einem dreiachsigen Beschleunigungs-messer ausgestattet, berechnet der D7S auf Basis dieser Messungen den SI-Wert, um die Stärke des Erdbebens einzuschätzen.

Trotz äußerst kompakter Abmessungen (9,8mm × 10,9mm) verfügt der D7S über einen eigenen internen Speicher und eine I²C-Schnittstelle, sodass er sich problemlos in IoT-Geräte integrieren lässt. Einsatzgebiete sind intelligente Strom- und Gaszähler, drahtlose Sensoren, Industriesteuerungen, Schalttafeln für die Energieversorgung, Brandschutzanlagen, Heizgeräte und Gasöfen für private Haushalte, Chemiewerke, Autobahnen und mehr.

Messungen unterwegs und in Bewegung

Smartphones, Schrittzähler, Drohnen und andere beliebte Verbrauchergeräte erhalten immer neue und bessere Funktionen. Dadurch steigt der Bedarf an neu entwickelten Sensoren. Ein Parameter, der bei jeder dieser Anwendungen überwacht wird, ist die Höhe, die über den Luftdruck gemessen werden kann. Die Technologie dahinter wurde zuerst für Blutdruckmesser entwickelt und anschließend weiterentwickelt, um auch andere Höhen und Drücke stabil und zuverlässig messen zu können. Selbst vergleichsweise kleine Höhenunterschiede von nur zwei Meter werden verlässlich erfasst. Die hochgenauen Luftdrucksensoren messen den Druck auf der Basis eines eingebauten rauscharmen 24-bit-ADC und erlauben eine digitale Datensteuerung und -übertragung über I²C/SPI-Schnittstellen.

Für einen möglichst geringen Energieverbrauch schalten speziell für diese Umgebungen ausgelegte Sensoren nicht-aktive Schaltkreise automatisch ab, um den Stromverbrauch zu minimieren. Die individuellen Kalibrierungsparameter werden im OTP-ROM (One Time Programmable) gespeichert und beibehalten, wenn das System heruntergefahren wird. Ein integrierter Schaltkreis zur Temperaturkompensation sorgt für eine akkurate absolute Luftdruckmessung.

Neuer, besser, schneller

Die Weiterentwicklung der Sensortechnologie geht rasch voran, da neue Einsatzfelder explosionsartig zunehmen. Intelligente Gebäudetechnik und der Einsatz von Drohnen nehmen weiter zu. Fitness-Tracker, Smartphones und andere Applikationen erhalten immer weitere neue Funktionen, für die in der Regel neuartige Sensoren nötig sind. Sensorhersteller entwickeln daher unablässig neue Lösungen, um dem Systemdesigner das Leben leichter zu machen.

 

Der Autor

Gabriele Fulco

ist European Product Marketing Manager für die Sensorik-Produktpalette von Omron Electronic Components. Zuvor war er über zehn Jahre lang für Omron als Technical Product Manager und Product Engineer tätig. Davor arbeitete er für Carlo Gavazzi und ST Microelectronics.