Neue Sensoren und Eval-/Designtools
Welche Sensoren für die Gebäudeautomatisierung?
Die Gebäudeautomatisierung bietet viele Möglichkeiten für einen energieeffizienten, nachhaltigen und dabei stets sicheren Betrieb – aber nur, wenn die Sensorauslegung und die Kommunikation optimal konzipiert sind. Hier setzen die neuen Sensoren und Evaluierungs-Boards von STMicroelectronics an.
Gebäudeautomatisierungssysteme (Building Automation Systems, BAS) nutzen Sensoren und Aktuatoren, um beispielsweise Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) zu steuern. Mit mo- dernen Technologien sind auch Anwendungen wie Energiemanagement, Maschinenüberwachung und intelligente Brand- und Evakuierungssysteme realisierbar. Funktechnologien in Verbindung mit neuen Sensoren sorgen dabei für günstige Betriebs- und Installationskosten sowie für eine einfache Erreichbarkeit der Steuerungen im Netzwerk.
Gebäudeautomatisierungssysteme basieren im Wesentlichen auf fünf Komponenten:
➔ Sensoren: Sie messen Temperatur, Feuchte, Bewegungen von Türen, Fenstern, Aufzügen, Rolltreppen, Eingangssystemen und anderen Objekten, registrieren Personen und deren Anzahl im Raum oder Objekte in der Umgebung. Sie erkennen Parameter für die Beleuchtung, die Luftqualität und den Zustand der HVAC-Geräte im Gebäude. Vernetzte Sensoren tauschen die Information mit den Steuerungen aus, um sie im BAS weiterverarbeiten und analysieren zu können.
➔ Steuerungen: Mikrocontroller, Mikroprozessoren oder Industrie-PCs als »Gehirn« des BAS
➔ Ausgabegeräte: Aktuatoren, Schalter, Relais, Schütze, Ventile, Motorsteuerungen etc.
➔ Kommunikationsprotokolle auf drahtgebundenen oder drahtlosen Medien: KNX, BACnet, WIFI, BLE, BLE MESH, OPC, DALI, Ethernet, ZigBee, EnOcean, HomeConnect, LoRaWAN, wireless M-BUS, USB und andere
➔ Bedienterminals: Touchscreens, Industrie-PCs, Tablets, Smartphones und Mensch-Maschine-Interfaces mit neuen Features z. B. für die Gestensteuerung.
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Die Anforderungen sind hoch und vielseitig
HVAC-Systeme werden in der Gebäudeautomatisierung im Hinblick auf Effizienz, Energieeinsparung, Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit immer wichtiger. Entsprechende Initiativen von Regierungen und die Energieeffizienzrichtlinie der EU (EED), die ab 2024 für alle Mitgliedstaaten gilt, zielen auf eine höhere Energieeinsparung bei Gebäuden ab. Smart Meter helfen, die Energiekosten zu senken, und moderne Wasser- und Sanitärsysteme erkennen Lecks bei Wasserleitungen, alarmieren bei Störungen und schließen Ventile automatisch, um Wasserschäden zu vermeiden. Motorgesteuerte Absperrklappen und Ventile werden bei Bedarf geschlossen, um im Notfall entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Zudem müssen HVAC-Systeme die Luftbewegung und -temperatur mit Thermostaten und Bedienterminals als Komponenten des BAS steuern, und sie regeln das gesamte Gebäude für ein durchgehend angenehmes und gesundes Raumklima. Das BAS setzt das Management zur Energieeinsparung sowie bei kritischen Situationen wie Bränden und Rauchentwicklung bis hin zu Evakuierungsmethoden um. Dafür müssen die verwendeten und vernetzten Sensoren, Aktuatoren und Ventile hochwertig ausgelegt sein, die Installationskosten jedoch begrenzt werden.
Orientierung in der Vielzahl der Möglichkeiten bieten die neuen Sensoren und Evaluierungskits von STMicroelectronics. Nachfolgend zwei Beispiele.
SensorTile box Pro
Die SensorTile box Pro ist eine kleine Kunststoffbox mit verschiedenen Sensoren und einer wiederaufladbaren 480-mAh-Batterie. Als Versorgung dienen eine USB-Schnittstelle und kabelloses Laden mittels integriertem 5-W-Receiver (STWLC68). Die Kommunikation kann mit Smartphones dank integriertem Blue-NRG-LP-System-on-Chip über Bluetooth Low Energy 5.3 erfolgen oder über NFC (ST25DV04K), Debugger und entsprechende STM32-ODE-Softwareumgebung zur Entwicklung von Firmware und Anwendersoftware. Die Box ist überall einsetzbar, um die Sensordaten für Temperatur, Beschleunigung, Druck, Neigung, Vibration oder Sprache beziehungsweise Geräusche von Objekten in Gebäuden zu erfassen. Die Daten können auf einer SD-Karte abgespeichert oder über die Funkschnittstellen sowie USB ausgelesen und weiterverarbeitet werden.
MEMS-Drucksensoren und Ultraschall-Mikrofone
Die Optimierung von HVAC-Systemen und die Zustandsüberwachung von Motoren in Lüftern und Pumpen erhöht die Lebenserwartung der Systeme und reduziert den Energieverbrauch. Zur Messung von Luft- und Wasserströmungen kommen Drucksensoren und Mikrofone im Ultraschallbereich auf MEMS-Basis sowie elektrostatische Technologien wie Qvar zum Einsatz. Qvar steht für Electric Charge (Q) und Variation (Var).
Die Box hat auf der Vorderseite Elektroden, um Änderungen im elektrostatischen Feld durch die Signalverarbeitung zusammen mit Bewegungen auf dem integrierten LSM6DSV16X-MEMS-Baustein (3-Achsen-Beschleunigung und 3-Achsen-Gyroskop) zu erkennen. Qvar wird auch zusammen mit einem wasserdichten Drucksensor ILPS28QSW unterstützt, der über die 24-Pin-DIL-Erweiterung auf der Oberseite der Box über Kabelverbindung angeschlossen werden kann. Das gilt auch für andere Sensoren aus dem Portfolio, neben den bereits erwähnten integrierten Sensoren.
Temperatursensoren
Digitale und kalibrierte Temperatursensoren wie der STTS22H im 2 mm x 2 mm x 0,5 mm großen Gehäuse sind ideal für Thermostate und verteilte Raumsensoren, um eine genaue HVAC-Regelung im Gebäude zu erreichen. Im Falle von offenen Fenstern können batteriebetriebene oder energieautarke Kontakte die Thermostate per Funk beeinflussen, um Energie einzusparen.
Vibrationssensoren
Die ständige Messung des Außenbereichs und der Struktur von Gebäuden ist wichtig, um Veränderungen der Umgebungsbedingungen und Schwingungen zu erkennen. Das betrifft auch die Fenster und alle Bereiche des Gebäudes. Für solche Messungen kommen Vibrationssensoren zum Einsatz wie z. B. der IIS3DWB, ein 3-Achsen-Vibrationssensor, speziell entwickelt für Bandbreiten bis 6 kHz im Außen- und Innenbereich von Gebäuden sowie für geringe Geräuschdichten von 75 µg/√Hz im 3-Achsen-Modus und nur 60 µg/√Hz in 1-Achsen-Modus.
Beschleunigungssensoren
Im Gebäude befinden sich Sensoren für Glasbruch, für Lage- und Positionsmessungen an Türen, Fenstern und anderen Objekten sowie Sensorik für die Notbeleuchtung. Dafür kommen Beschleunigungssensoren wie der LIS2DU12 oder der 6-Achsen-Sensor LSM6DSV16X zum Einsatz. Auch für die Sensorik in Objekten im Bürobereich wie Tische oder Bürostühle werden Sensoren eingesetzt und über Funk verbunden, um Belegung und Aktivität zu erkennen.
Magnetsensoren
Zutrittssysteme werden ebenfalls sensorisch überwacht. Der 3-Achsen-MEMS-Magnetsensor LIS2MD mit einem Magnetfeld-Messbereich von ±50 Gauss kann als Kontaktsensor arbeiten, um die Position von Kontaktmagneten, eingebaut in verschiedenen Objekten, zu erkennen.
MEMS-Mikrofone, ToF- und Infrarot-Sensoren
MP23DB01HP ist ein kleines, omnidirektionales, digitales MEMS-Mikrofon, das Sprache und Geräusche im Gebäude verarbeiten kann. Es hat einen hohen akustischen Übersteuerungspunkt (Acoustic Overload Point, AOP) von 135 dB SPL und einen hohes Signal-Rausch-Verhältnis von 65 dB(A). Infrarot-basierende MEMS-Technologien (TMOS von ST) und optische Time-of-Flight(ToF)-Sensoren werden für Präsenzmelder und Entfernungsmessungen von Personen und Objekten und als Gestensteuerung an Bedienterminals eingesetzt. Die Personenerkennung im Raum ist beispielsweise hilfreich, um Beleuchtungen bei Abwesenheit auszuschalten.
Der Vorteil des Infrarotsensors STHS34PF80 gegenüber einem konventionellen PIR-Sensor (Pyroelectric Infrared Sensor) ist die Personen- und Objekterkennung bei Bewegung oder bei Anwesenheit ohne Bewegung, das kleine 3,2 mm x 4,2 mm messende LGA-10L-Gehäuse sowie der Entfernungsbereich von vier Metern auch ohne externe Linse. Diese Eigenschaften werden außerdem zur Erkennung von Personen vor Bedienterminals und deren Steuerung per Gesten mit dem VL53L5CX-ToF-Sensor verwendet. Letzterer kommt häufig im Sanitärbereich zur berührungslosen Benutzung von Wasserhähnen, Papier- oder Seifenspendern zum Einsatz.
STWIN.BOX
Die STWIN.Box ist eine kleine, robuste Kunststoffbox, die Sensoren integriert und mit einer über die USB-C-Schnittstelle wiederaufladbaren Batterie ausgestattet ist. Sie kann mit Schrauben an Objekte wie Motoren angebracht werden. Der ST-Link Debugger ist eingebaut und ein Adapter-Board zur Erweiterung mit externen Sensoren über ein flexibles Kabel ist möglich. Die Box lässt sich über die schnelle USB-C-Schnittstelle für Datalogger-Aufgaben sowie zur weiteren Analyse und Verarbeitung der Sensordaten direkt mit dem PC verbinden. Kommunikation über Bluetooth Low Energy ist zur Konfiguration, Parametrisierung und für einfache Datalogger-Funktionen ebenfalls möglich. Die vielen enthaltenen Sensoren in Industriequalität und der Low-Power STM32U5 Mikrocontroller ermöglichen eine große Bandbreite und genaue Vibrationsanalyse, Audio- und Ultraschall-Verarbeitung vom in- tegrierten Mikrofon sowie präzise Schwingungs-, Temperatur- und Umgebungsmessungen an Motoren in z. B. Pumpen oder Lüftern. Alle enthaltenen Produkte sind langzeitverfügbar und ideal für die Automatisierung und Inspektion von Maschinen geeignet.
Maschinelles Lernen via Phyton
Ein umfangreiches Softwarepaket ist auch in Source Code verfügbar. Optimierte Firmware-Bibliotheken und Beispiele von Cloud-Anwendungen helfen bei der Entwicklung der Zielanwendung und der Analyse von Maschinendaten. Maschinelles Lernen ermöglicht dem Prozessor oder Computer das Lernen aus vorhandenen Daten und gilt allgemein als Teil der künstlichen Intelligenz (KI). Aus dem bereits Gelernten können die Programme Vorhersagen treffen.
An dieser Stelle setzt Phyton an, eine vielseitig anwendbare Programmiersprache, die im Bereich des maschinellen Lernens zum Einsatz kommt und von vielen Softwareentwicklern wegen ihrer Leistungsfähigkeit und einfachen Integration in bestehende Projekte geschätzt wird. Phyton ist durch seine einfache Syntax und Datenstrukturen gut geeignet zur Entwicklung von Software für die Analyse und Auswertung von Prozessen. Die STWIN.Box samt zugehöriger Firmware sowie Beispielsoftware unterstützt die Verwendung von Phyton zur Analyse der Sensorsignale, die Finite State Machine (FSM) und die Algorithmen für maschinelles Lernen auf dem angeschlossenen PC.
Nach Installation des Softwarepakets und der Bibliothek »FP-SNS-Datalog2« von st.com sowie des Phyton SDKs von der phyton.org-Webseite auf einem PC, verbunden mit der STWIN.BOX sowie der Konfiguration über Smartphone mit der ST-BLE-Sensor-App, werden die Sensordaten im Display grafisch dargestellt. Auch der Sensor-Fusion-Prozess kann gestartet werden, und die FFT zur Analyse der Bewegungssensoren sowie des Ultraschallmikrofons lässt sich im Frequenzbereich darstellen. Das MEMS-Mikrofon IMP23ABSU erreicht dabei eine Bandbreite bis 80 kHz. Dies kann – wie bereits erwähnt – für die Messung und Auswertung von Strömungen in Ventilen und Rohren verwendet werden, und auch die Algorithmen für maschinelles Lernen lassen sich zuschalten. Damit lassen sich alle Funktionen für die Analyse und Inspektion von Motoren und anderen Objekten im Gebäude darstellen.
Eine noch höhere Integration der elektronischen Komponenten ist mit den neuen 6-Achsen-ISPU (Intelligent Sensor Processing Units) LSM6DSO16IS und ISM330IS möglich. Sie enthalten einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor und ein 3-Achsen-Gyroskop auf MEMS-Basis sowie einen 32-bit-DSP-RISC-Prozessor mit der Fähigkeit, Algorithmen mit künstlicher Intelligenz durchzuführen. Bei der Größe von nur 2,5 mm x 3 mm x 0,86 mm im LGA-14L-Chipgehäuse wird der Stromverbrauch reduziert, was zusammen mit der Software und Entwicklungsumgebung AI @ the Edge ermöglicht.
Mit dieser Kombination lassen sich komplexe Analysen an Maschinen auf Chiplevel realisieren. Der ISM330IS wird auf dem STEVAL-C34KAT2-Erweiterungsboard an die STWIN.BOX über ein 15 cm langes flexibles Kabel angeschlossen. Diese Erweiterung enthält zusätzlich den Temperatursensor STTS22H, damit beide Sensoren zu- sammen, außerhalb der Box, direkt auf der Maschine zur Diagnose angebracht werden können.
Rundum-sorglos-Paket für Entwickler
Mit dem zunehmenden Bedarf an Überwachungsaufgaben an Maschinen bezüglich Energieeffizienz, Sicherheit oder Benutzerfreundlichkeit finden smarte Sensoren in vielen Bereichen der Gebäudeautomation immer mehr Anwendungen. Dabei können die Sensordaten durch Einsatz von Kommunikationstechnologien im gesamten Gebäude verwendet werden bis hin zur Anbindung an Smartphones und Tablets. Für einen Chiphersteller ist es dabei nicht mehr ausreichend, nur Komponenten zu liefern. Die Anwender erwarten Lösungsansätze für die eigene Entwicklung, die Referenzdesigns, Firmware und Softwarebeispiele für ihre spezifischen Anwendungen enthalten, sowie hilfreiche Tools und sofort einsetzbare Referenzelektronik.
Der Autor
Michael Münkel
arbeitet seit 1999 für STMicroelectronics in verschiedenen Positionen und ist dort für das Technische Marketing im Bereich Analog- und Sensorprodukte zuständig.
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