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Wie stromsparende Sensorik intelligente und sicher vernetzte Gebäude ermöglicht

Die Infrastruktur, die das Internet der Dinge (IoT) unterstützt ist mittlerweile gut etabliert und reicht weit über die im Hintergrund arbeitenden Server und Rechenzentren hinaus – bis in unsere Häuser, Büros und Fabriken.

Wie stromsparende Sensorik intelligente und sicher vernetzte Gebäude ermöglicht
Beispiel eines intelligenten Gebäudesystems

Autor: Pavan Mulabagal, Director IoT Strategy und Marketing, onsemi.

Dort am Rande (Edge) sitzen Sensoren, die Daten sammeln und an Cloud-Dienste zurücksenden oder lokal verarbeiten (Edge Computing). Diese Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil, um Gebäude intelligenter zu gestalten, indem sie einen praktischen Ansatz zur Steuerung unserer Umgebung bieten. Die Haupttreiber sind Komfort und Wirtschaftlichkeit: Ein autonomes Gebäude vergisst nie, das Licht auszuschalten, wenn die letzte Person den Raum verlässt.

Was als relativ einfaches Steuerungssystem begann, z.B. mit der Anwesenheitserkennung und Temperaturmessung zum Einstellen der Heizung und Beleuchtung, hat sich in seiner Raffinesse weiterentwickelt. So wie die Gebäude aus Sicht der Nutzer intelligenter werden, werden auch die Systeme, die dies ermöglichen, intelligenter.

Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) wird es letztlich nicht mehr nötig sein, dass ein Mensch den Zeitplan für ein intelligentes Gebäude programmiert. Einfache Sensoren, die die allgemeine Anwesenheit in einem großen Bereich erfassen, werden durch fortschrittlichere Bildsensoren ersetzt, die Personen erkennen und eine persönlichere Steuerung ermöglichen. Der anonyme Bewegungsmelder wird durch bildgebende Systeme ersetzt, die einzelne Gesichter sowie Gesten und sogar Stimmungen erkennen können. Audiosteuerung, die über intelligente Lautsprecher oder virtuelle Assistenten implementiert wird, ist eine weitere Funktion, die immer beliebter wird.

Werden Gebäude intelligenter (Smart Buildings), erweitern sich ihre Funktionen, um ein personalisiertes Erlebnis zu bieten, das Zugangskontrollen und andere Sicherheitsfunktionen umfasst. Dies geht über die Energieoptimierung hinaus, indem das Licht ausgeschaltet wird, wenn sich niemand mehr in einem Raum befindet. Dazu zählt auch, dass nur autorisierte Personen den Raum betreten dürfen, dass Personen automatisch für den Zugriff auf sichere Netzwerke freigeschaltet werden und dass sogar das Auffinden von Gegenständen unterstützt wird.

Intelligente Gebäude führen zu intelligentem Energieverbrauch
Heute machen zwei Aspekte des Gebäudemanagements rund 40% des Energieverbrauchs aus – Beleuchtung und Heizung. Das Konzept, die Anwesenheitserkennung und das Tageslicht zur Anpassung der künstlichen Beleuchtung zu nutzen, ist älter als das Internet. Trotz dieser langen Tradition ist die Einführung vernetzter Beleuchtung auf dem Vormarsch und wird durch Techniken möglich, die heute das IoT unterstützen und vorantreiben.

Ein wesentliches Leistungsmerkmal dabei ist die Kommunikation. Das Aufkommen funkbasierter Mesh-Netzwerke hat die Vernetzung intelligenter Beleuchtung untereinander viel einfacher und zuverlässiger gemacht. Die kontinuierliche PoE-Weiterentwicklung (Power over Ethernet) und die durch LEDs erzielte hohe Stromeinsparung kann die Beleuchtung jetzt über ein einziges Low-Voltage-Ethernet-Kabel mit Strom versorgen und vernetzen. Damit wird kein Elektriker mehr für die Installation der vernetzten Beleuchtung benötigt.

Jetzt werden diese vernetzten Endgeräte, die bisher nur Leuchten waren, zu etwas mehr. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des intelligenten Gebäudenetzwerks, da jede Leuchte auch als Beacon für die Navigation in Innenräumen fungieren kann. Es wird auch viel einfacher, zusätzliche Funktionen in die Leuchten zu integrieren, z.B. Anwesenheitserkennung, Asset-Tracking und Umgebungsüberwachung. Alle diese Funktionen werden durch mehrere Sensoren ermöglicht, die sich nun in ein einziges vernetztes Gerät integrieren lassen. Entwicklungen wie diese werden Mitarbeitern/Bewohnern mehr Komfort bieten – aber letztendlich liegt der größte Gewinn in der Energieeinsparung, die sich durch einen intelligenteren Betrieb erzielen lässt.

Intelligente Gebäude bauen
Der Aufbau eines intelligenten Gebäudesystems hängt von Sensoren und Aktoren ab (Bild 1).

Der Mikrocontroller oder digitale Signalprozessor (DSP) als Basis des Systems ist für die Steuerung der zahlreichen vorhandenen Sensoren und Aktoren verantwortlich. Dazu zählen jene Sensoren, die zur Anwesenheitserkennung, Umgebungsüberwachung und Zugangskontrolle verwendet werden. Zu den Aktoren zählen bürstenbehaftete oder bürstenlose Gleichstrommotoren zum Öffnen und Schließen von Türen und Fenstern. Hinzu kommen elektromechanische oder Halbleiterrelais zum Ein-/Ausschalten der Beleuchtung. Variable Beleuchtungsstärken lassen sich über eine Leistungsregelung wie Pulsweitenmodulation (PWM) erzielen, wofür sich auch die MCU bzw. der DSP verantwortlich zeichnen. Die Datenanbindung wird eine Kombination aus verdrahtet und funkbasiert sein. Dabei kommen immer mehr Protokolle zum Einsatz, die auch im Internet verwendet werden und somit direkt zugänglich sind, während andere ein Gateway erfordern.

Wir gelangen nun auch in die Bereiche von Systemen mit äußerst geringem Stromverbrauch, in denen die MCU, Sensoren und Aktoren durch Energie aus der Umgebung, z.B. Licht oder Wärme, mit Strom versorgt werden. Dies schafft das Potenzial für praktisch autarke Steuerungssysteme.

Wichtige Faktoren für das Kommunikationsnetzwerks hinter einer intelligenten Gebäudeinfrastruktur sind Reichweite, Stromverbrauch und Latenz. Die Bedeutung, die jedem dieser Faktoren zugewiesen wird, hängt von der eigentlichen Anwendung ab. Eine merkliche Latenz zwischen dem Betreten eines dunklen Raums und dem Einschalten des Lichts wird jedoch von den Nutzern wahrgenommen. Dies ist nur ein Beispiel, warum eine geringe Latenz entscheidend ist.

Generell bietet die Verarbeitung vor Ort (Edge) eine geringere Latenz im Vergleich zur ausschließlichen Verarbeitung in der Cloud, um lokale Entscheidungen zu treffen. Kann ein Sensor selbst entscheiden wenn jemand einen Raum betritt, um das Licht einzuschalten, verbessert dies die Benutzererfahrung insgesamt.


Wie stromsparende Sensorik intelligente und sicher vernetzte Gebäude ermöglicht
Faktoren, die bei der Entwicklung einer Kommunikationsinfrastruktur für intelligente Gebäude zu berücksichtigen sind

Bild 2 beschreibt, wie diese Faktoren die Auswahl leitungsgebundener/ funkbasierter Technik beeinflussen können. Durch die Implementierung eines einfachen aber robusten Mesh-Netzwerks (Bild 3) lassen sich kleine Netzwerke untereinander vernetzter Geräte aufbauen, zu denen Leuchten, Lüfter u.v.m. zählen können. Mesh-Netzwerke bieten nicht nur die Möglichkeit, ein Netzwerk weit über die Reichweite eines einzelnen Knotens hinaus auszudehnen, sondern bauen auch Redundanz in das Netzwerk mit ein. Damit lassen sich Nachrichten über eine beliebige Kombination vernetzter Knoten durch das Netzwerk leiten. Sollten lokale Störungen dann eine Nachricht daran hindern, über eine Leuchte als Wegpunkt weitergeleitet zu werden, leitet das Netzwerk diese Nachricht automatisch um. Aus diesem Grund verwenden die meisten modernen Funkprotokolle jetzt Mesh-Netzwerke.


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Mesh-Netzwerke erweitern ein Netzwerk und bietet Routing-Redundanz

Multi-Sensor-Plattformen bieten mehr
Mit fortschreitender Technik wird es immer praktikabler, mehrere Sensoren in eine einzige Plattform zu integrieren und so einen Mehrwert für vernetzte Assets zu schaffen. Nehmen wir als Beispiel eine Leuchte als. Deren Hauptfunktion ist, einen Raum zu beleuchten. Aber wie erwähnt, kann sie auch als Sensorknoten zum Erfassen einer Vielzahl von Daten dienen.

Durch den Einsatz mehrerer Sensoren in einem einzelnen Asset steigt der Wert dieses Assets immens. Es wird zu einem wichtigen Bestandteil der intelligenten Gebäude-Infrastruktur, sieht aber nach außen aus und verhält sich wie eine normale Leuchte. Aufgrund der heute winzigen und äußerst stromsparenden Sensoren kann eine kleine Leiterplatte problemlos mehrere Sensoren aufnehmen, mit denen sich die Anwesenheit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität etc. überwachen lassen. Über ein Datenkommunikationssystem mit extrem geringem Stromverbrauch wie dem Bluetooth-Low-Energy-(BLE-)Funkmodul RSL10 lässt sich diese Multi-Sensor-Plattform jahrelang mit einer einzigen Knopfzelle betreiben (Bild 4).


Wie stromsparende Sensorik intelligente und sicher vernetzte Gebäude ermöglicht
Beispiel für eine Multi-Sensor-Plattform, die mit dem SIP (System-in-Package) RSL10 umgesetzt wird

Darüber hinaus ist es jetzt sogar möglich, ganz auf eine Batterie zu verzichten. Die aus der Umgebung gewonnene Energie (Energy Harvesting) für den Betrieb vernetzter Multi-Sensor-Plattformen reicht dafür aus (Bild 5).


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Energy Harvesting kann heute die primäre Energiequelle für intelligente Sensoren und Aktoren sein

Damit lassen sich intelligente Sensoren praktisch überall in einem Gebäude platzieren. Kleine und unauffällige Solarzellen können so genügend Energie aus künstlichem Licht erzeugen, um eine Multi-Sensor-Plattform mit Strom zu versorgen und Daten regelmäßig an ein Gateway zu senden.

Fazit
Energieeffizienz wird für den weiteren Erfolg intelligenter Gebäude von grundlegender Bedeutung sein – sowohl um Gebäude energieeffizienter zu machen, um einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen, als auch um Lösungen mit geringem Stromverbrauch und fortschrittlicher Technik breitzustellen.

Energieeinsparung wird entscheidend sein – von den verwendeten Sensoren bis hin zu den Cloud-Diensten, auf die zugegriffen wird. Mit zunehmender Anzahl der eingesetzten Sensoren nimmt auch die Granularität zu, mit der wir die Kontrolle über die Versorgungseinrichtungen eines Gebäudes übernehmen können, was einen Kreislauf der Energieeffizienz fördert.

Dies hängt jedoch stark von den kontinuierlichen Effizienzverbesserungen bei Sensor-, Prozessor- und Datenanbindungstechniken ab. Mit zunehmendem Einsatz kann es sogar erforderlich sein, Techniken einzusetzen, die energieunabhängig sind und Energy Harvesting als eigene Versorgung nutzen.

onsemi ist Vorreiter bei der Entwicklung von Sensorik und Datenanbindungstechnik mit extrem geringem Stromverbrauch, z.B. mit dem hochintegrierten Bluetooth-5-SIP RSL10. Ergänzt durch intelligente Audio- und Bildverarbeitungslösungen setzt sich onsemi für mehr Energieeffizienz und intelligentere Lösungen ein.

www.onsemi.com

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