Intelligente Gebäudeautomation und Energieeffizienz werden heutzutage für Unternehmen und Eigentümer großer Gebäude immer wichtiger. Das Unternehmen für Elektronik und Embedded Systems 3T hat im Auftrag von Priva, dessen Expertise in der Gebäudeautomation liegt, ein Multisensormodul für intelligente Gebäude entwickelt. Datengesteuerte Prozesse sollen nicht nur für Komfort und ein hochwertiges Raumklima sorgen, sondern auch die Energiekosten und CO2-Emissionen großer Gebäudekomplexe deutlich verringern.
Die Entwicklung eines Multi-Sensor Moduls, das möglichst viele physikalische Werte eines Smart Buildings misst und erfasst und dabei kompakt und beinahe unauffällig platziert werden kann, ist ein schwieriges Unterfangen. Ziel ist es, durch datengesteuerte Prozesse ein leistungsfähiges, nachhaltiges Gebäude zu schaffen und die Qualität des Raumklimas zu verbessern. Sensoren steuern und messen verschiedene physikalische Werte zu Lichtverhältnissen, Luftqualität, Temperatur und Bewegungen im Gebäude und regulieren automatisch Licht, Jalousien oder Heizkörper. Durch die Ansteuerung all dieser Faktoren können der Energieverbrauch und die daraus resultierenden CO2-Emissionen von Gebäuden erheblich gesenkt werden.
3T hat die Elektronik und Embedded Software des Multisensorknotens entwickelt und in enger Zusammenarbeit mit Priva und bGrid an dieser Multisensoreinheit für Smart Buildings gearbeitet. Die Sensorlösung besteht aus einer Infrastruktur, die aus mehreren Sensorknotenpunkten in einem Gebäude besteht. Die von den Sensoren gesammelten Daten werden an eine Software übertragen, die eine Datenverarbeitung in Echtzeit, Sicherheit und Monitoring des Systems ermöglicht. Über eine offene API-Schnittstelle werden die Daten für verschiedene Smart-Building-Anwendungen zur Verfügung gestellt. Inzwischen gibt es mehr als 50 Apps, die mit der Sensorlösung kompatibel sind. Die Apps ermöglichen Funktionen wie dynamische Raumbuchung, vorausschauende Wartungsmaßnahmen und intelligente Reinigung von Gebäuden.
Was kann mit dem Multi-Sensor Modul gemessen werden?
Die Sensorknotenpunkte kommunizieren drahtlos über Bluetooth Low Energy und verfügen über viele Funktionen sowie über eine DALI-Schnittstelle, die eine Steuerung zum Ein- und Ausschalten von Lampen ermöglicht. Ein Infrarot-Temperatursensor kann die Raumtemperatur genau messen und Heizungen steuern. Ein Lichtintensitätssensor dimmt die Lampen, wenn genügend natürliches Licht vorhanden ist. Geräusch- und PIR-Bewegungssensoren sorgen dafür, dass die Temperatur gesenkt und das Licht in unbesetzten Räumen ausgeschaltet wird. Optional kann die Multisensorlösung auch mit Luftintensitätssensoren zur Messung der CO2-Konzentration und einem TVOC-Sensor zur Erkennung von Schadstoffen ausgestattet werden, um eine automatische Steuerung von Lüftungsanlagen zu ermöglichen.
Faktoren wie Home-Office machen die Auslastung von Gebäuden heutzutage unvorhersehbar. Für Unternehmen und Eigentümer ist die Einsicht und Information zur Auslastung ihrer Gebäudekomplexe nicht unwesentlich. Räume, die nicht genutzt werden, müssen nicht voll temperiert oder gar täglich durch einen Reinigungsservice gesäubert werden.
Durch die Nutzung von Smartphones können Personen in einem Smart Building lokalisiert werden. Die Sensorknotenpunkte geben in regelmäßigen Abständen ein Bluetooth Signal aus und sprechen Geräte in ihrer Umgebung an. Identitätsdaten werden dabei nicht erhoben, das System ist hinter den Sensoren ist DSGVO-konform. Es kann nur ermitteln, wie viele Geräte sich in bestimmten Bereichen befinden, um die Auslastung eines Gebäudes zu messen.
Komplexe Entwicklung und technische Herausforderungen
Ein besonderes Augenmerk bei der Entwicklung der Multi-Sensor Einheit lag auf der Platzierung der vielen verschiedenen Sensoren in einem kompakten Gehäuse. Die Sensoren sollen von ihrem Installationsort an der Decke, unabhängig von ihrer Version, präzise Daten aus ihrer Umgebung wahrnehmen, sich dabei aber gegenseitig nicht beeinflussen. Das kundenspezifische Gehäuse musste aus dem schwer entflammbarem Material UL94-V0 gefertigt werden und robust sein, damit die empfindlichen Sensoren durch elektrostatische Entladungen bei der Installation nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Eine weitere, mit Sorgfalt zu behandelnde Umsetzung war eine LED-Anzeige, die notwendige Servicetätigkeiten am Sensor-Modul visuell sichtbar macht. Eine dauerhaft leuchtende LED würde dem gewünschten unauffälligen Erscheinungsbild widersprechen, die Raumatmosphäre negativ beeinflussen und ebenso viel Strom wie das Sensormodul als Ganzes benötigen. Gelöst wurde dieser Konflikt durch eine LED, die nur bei Installationstätigkeiten aktiv ist und dem Techniker vermittelt, dass alles korrekt funktioniert.
Die Stromversorgung des Sensor-Moduls soll möglichst energiesparend und mit nur einem Kabel über DALI, 24 V/DC oder 110 V-277 V/AC möglich sein, um die Nutzung der Smart Building Lösung auch in Amerika möglich zu machen. Das Kabel muss den Brandschutzbestimmungen von Gebäuden mit der CPR-Klasse 2016/364/EU: Cca entsprechen.
Das Leistungskonzept ist auf minimale Verlustleistung optimiert, indem durch die Platzierung der Leiterplatte im Gehäuse die Verlustleistung der Stromversorgung im Bereich des Stromversorgungsbereichs gehalten wird. Die zwei entstandenen Kammern im Gehäuse jeweils für Stromversorgung und Sensoren, verhindern, dass von der Stromeinheit abstrahlende Wärme die Messungen der Sensoren beeinflusst. Für die Messungen von Bewegung, Licht und Temperatur benötigen einige Sensoren direkten Kontakt nach außen und mussten entsprechend im Gehäuse platziert werden. Zwischen den innenliegenden Sensoren musste genügend Abstand bleiben, damit sie ausreichend belüftet werden und die Luft zirkulieren kann.
Ein eventuell auftretender ESD-Entladungsstrom könnte die empfindlichen Sensoren beschädigen. Dieses Problem wird für die unterschiedlichen Sensoren auf verschiedene Weise gelöst. Ein eingebauter Erdungsleiter aus Kupferplatten um den Feuchtigkeitssensor herum leitet einen möglicherweise auftretenden ESD-Entladungsstrom direkt in die Stromversorgungsplatine ab. Eingebaute ESD-Dioden schützen die anderen empfindlichen Kontakte. Zusätzlich wurden einige Sensoren mit Kunststoffabdeckungen versehen (wo möglich), um eine Isolierung von mehr als 16 kV zu gewährleisten. So sind die Sensoren auch bei der Reinigung, Wartung oder Installation bestmöglich vor ESD-Entladungen geschützt.
Alle Voraussetzungen wurden berücksichtigt
Die Techniker von 3T haben bei Arbeit an dem umfassenden Projekt ihre jeweiligen Expertisen in das Multi-Sensor Modul gesteckt. Das Ergebnis der Zusammenarbeit ist eine energieeffiziente Sensorlösung für Smart Buildings mit harmonischem Erscheinungsbild, die präzise Messungen ihrer Umgebung ausführt. Sie ermöglicht ein energieeffizientes Gebäudemanagement auf der Basis ganzheitlicher, digitaler Lösungen. Das bGrid® Multisensormodul ist seit 2020 auf dem Markt und wird seither in Serie produziert.
