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Energieautarke Sensoren

Einbruchalarm mit Solarstrom

21. Februar 2017, 11:15 Uhr | Von Helmuth Lemme

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Alarmsystem mit Energy Harvesting im Einsatz

Da Energy Harvesting immer größere Verbreitung findet, liegt der Einsatz solcher Mikrogeneratoren auch hier auf der Hand. Damit werden die Funksensormodule energieautark und wartungsfrei. In diesem Anwendungsfall sind Solarzellen die beste Quelle, da Tageslicht an den Fenstern im Allgemeinen ausreichend einstrahlt. Zur Überbrückung der Nacht braucht der Funksensor dann noch einen geeigneten Speicher.

Ein derartiges Alarmsystem wurde am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Duisburg entwickelt. Bild 1 zeigt die Blockschaltung.

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Ein Beschleunigungssensor nimmt mechanische Schwingungen auf, im angeschlossenen Mikrocontroller werden diese dann analysiert und verschiedenen Kategorien zugeordnet: Glasbruch, Aufhebeln, Bohren, Auftreffen eines Gegenstandes (Ball) oder eines Vogels, oder auch Klopfen.

In ausgiebigen Versuchen haben sich alle als klar unterscheidbar gezeigt (Bild 2). Für die Glasbrucherkennung mussten dazu viele Scheiben zerschlagen werden. Eine Schwellwertdetektion blendet zu schwache Signale aus. So lassen sich Fehlalarme sehr sicher verhindern. Denn die würden nicht nur Irritation hervorrufen, sondern auch unnötig Sendeenergie benötigen. Bei Bedarf lassen sich noch weitere Sensoren einbauen, etwa für Lichtintensität, Temperatur oder Luftfeuchte.

Mit den Funksensoren sollen nicht nur Vorgänge wie Einbruchsversuche erkannt werden, sondern auch stationäre Zustände, etwa ob alle Fenster richtig geschlossen sind, um im Winter Heizkosten zu sparen, oder absichtlich gekippt sind – z.B. im Sommer zwecks Lüftung. Der vertikale Öffnungswinkel ist mit dem Beschleunigungssensor messbar, der horizontale über Aufnahme des Beschleunigungsverlaufs und Integration, woraus sich der zurückgelegte Weg berechnen lässt. Weil dieses Prinzip noch nicht ganz sicher ist, ist zusätzlich noch ein Magnetfeldsensor eingebaut. Wichtig ist auch die Erkennung der Griffstellung, um kontrollieren zu können, ob das Fenster fest geschlossen ist. Das Drehen des Griffes erzeugt eine typische Schwingung, die identifizierbar ist. Daneben ist hierfür ein weiterer Magnetfeldsensor in Untersuchung, der die Position des Gestänges im Rahmen registriert.

Weil für die Solarzelle nur eine kleine Fläche zur Verfügung steht, etwa 3 cm², ist das Energieangebot sehr knapp. Ein Aufwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad erhöht die Solarzellenspannung auf etwa 3,3 V. Alle Komponenten im Funksensor sind extrem stromsparend ausgelegt. So nimmt die eingebaute Echtzeituhr nur 100 nA auf. Der größte Verbraucher ist der Funksender, deshalb müssen die Funktelegramme so kurz wie möglich gehalten werden, hier 15 ms. Die Sendeleistung von 7 dBm reicht aus, um innerhalb des Gebäudes einige Betondecken zu durchdringen. Der Funksensor authentifiziert sich zuerst und überträgt dann die Daten. Wenn nichts passiert, wird in regelmäßigen Abständen, z.B. alle 3 Minuten, ein Lebenszeichen an die Zentrale gesendet. Ein Ausfall eines Moduls würde dann bemerkt. Bei verdächtigen Ereignissen wird das Alarmsignal sofort gesendet. Eine Einbindung in Smart-Home-Funknetzwerke ist möglich.Als Speicher für die Nachtüberbrückung dient ein Doppelschicht-Kondensator mit einer Kapazität von 390 mF. In Untersuchung ist zusätzlich ein Lithium-Ionen-Akku mit einigen mAh, um eine Dunkelzeit von bis zu drei Wochen zu überbrücken, wenn für die Urlaubszeit der Rollladen heruntergelassen wurde.

Montiert wird das 40 × 10 × 5 mm³ große Funksensormodul am unteren Fensterrahmen oder auch auf der Scheibe – jeweils so, dass die Solarzelle maximales Licht bekommt. Das kann der Anwender selbst vornehmen. Der derzeitige Stand ist der eines frühen Prototyps. Langfristiges Ziel ist eine Integration der Schaltung auf einem Chip; vorerst wird es ein mikrosystemtechnisch aufgebautes Modul sein. Die erwarteten Herstellkosten bei Massenproduktion sollen dann deutlich unter 10 Euro kommen. Die Einbrecher werden sich nicht unbedingt darüber freuen.