Evolution der Hochfrequenz-Sensorik

Die Hochfrequenz-Technologie ist eine von vier Sensortechnologien zur Anwesenheitsregistrierung von Personen. Bisher eingesetzt in Bewegungsmeldern im Innen- und Außenbereich, hat sie sich nach Ansicht von Experten inzwischen zur digitalen Sensortechnologie der Zukunft entwickelt. Energieersparnis und die Steuerung der Gebäudeautomation stehen dabei neuen Funktionen in einem wirklich intelligenten Gebäude gegenüber.

Sensorleuchte und Bewegungsmelder

Ende der 1980er Jahre wurde die Welt des Lichts durch die Markteinführung der ersten Sensorleuchte und des ersten Bewegungsmelders revolutioniert. Wurde bisher das Licht mithilfe eines Lichtschalters ein- und ausgeschaltet, erfolgte dies nun vollkommen automatisch. Hierfür wurde die elektromagnetische Strahlung genutzt, die jeder Mensch abgibt.

Ein sogenannter Pyrosensor reagiert, wenn sich die Infrarot-Wärmestrahlung innerhalb seines Erfassungsbereichs verändert, sich also eine Person dort aufhält. Der dadurch verursachte Spannungssprung wird vom System in einen elektronischen Impuls umgewandelt, der das Licht schaltet. Die automatische Lichtschaltung war geboren.

Bild 1: HF-Sensoren senden aktiv Hochfrequenzwellen aus und nehmen nach dem Doppler-Prinzip selbst kleinste Bewegungen in ihrem Erfassungsbereich wahr

Im Laufe der Jahre ist die Entwicklung der Bewegungserfassung weiter vorangeschritten. Bewegungsmelder, die meist gröbere Bewegungen erkennen, wurden um Präsenzmelder zur Erfassung kleinerer Bewegungen ergänzt. Nachlaufzeiten sorgen dafür, dass Licht so lange eingeschaltet bleibt, wie es benötigt wird.

1999 wurde erstmals die Hochfrequenz-Technologie (HF) in einem Bewegungsmelder für die Lichtschaltung genutzt. Hierbei werden elektromagnetische Wellen als hochfrequent bezeichnet, wenn sie in einem Bereich zwischen zehn Kilohertz und 300 Gigahertz liegen. Im Alltag nutzt man sie beispielsweise in Handys, für Rundfunksender oder Schiffsradar.

Während die Passiv-Infrarot-Technologie (PIR) ein passives System ist, arbeitet der HF-Sensor als aktives System. Er sendet ein nicht wahrnehmbares HF-Signal in Form elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz von 5,8 GHz und einer Sendeleistung von weniger als 1 mW aus (Bild 1). Gemäß dem Doppler-Prinzip werden diese Signale von Wänden und Objekten reflektiert und als Echo an den Sensor zurückgeschickt. Befindet sich im Erfassungsbereich des Sensors eine Person, verändert sich dieses Echobild. Hierbei reichen kleinste Bewegungen aus. In Sekundenbruchteilen reagiert der Sensor daraufhin mit einem Schaltsignal und das Licht wird eingeschaltet.

Montage eines HF-Sensors

Bild 2: Von einem Hochfrequenz-Bewegungsmelder werden radiale und tangentiale Bewegungen gleich gut erfasst

Bei einem HF-Sensor ist es für die Qualität der Erfassung unerheblich, ob sich eine Person direkt auf den Sensor zu bewegt oder den Erfassungsbereich seitlich schneidet. Tangentiale und radiale Bewegungen werden temperaturunabhängig gleich gut und lückenlos erfasst (Bild 2). Äußere Einflüsse wie zum Bespiel fremde Wärmequellen wirken sich ebenfalls nicht auf die Qualität der Erfassung aus. Kennzeichnend für HF-Wellen ist auch, dass sie bestimmte Materialien durchdringen. So können auch Bewegungen hinter Glas, Holz oder Leichtbauwänden ­erfasst werden.

All diese Eigenschaften müssen bei der Auswahl, Platzierung und Montage eines HF-Bewegungsmelders berücksichtigt werden, um ein optimales Erfassungsergebnis zu erzielen. Aufgrund der durchdringenden Erfassung kann ein HF-Sensor zum Beispiel aus ästhetischen Gründen oder aus Schutz vor Vandalismus hinter einer abgehängten Decke angebracht werden. Die Erfassungsqualität wird dadurch nicht beeinträchtigt.

Durchdringende Erfassung

Bild 3: Ein HF-Sensor erfasst auch Bewegungen hinter Glas, Holz-und Leichtbauwänden

Aus eben diesem Grund ist ein HF-Sensor auch ideal für die Lichtschaltung in Wasch- und WC-Räumen (Bild 3), da jede Bewegung hinter den Kabinentrennwänden exakt erfasst wird und das Licht eingeschaltet bleibt, wenn es benötigt wird. Bei Räumlichkeiten in Leichtbauweise kann die durchdringende Erfassung jedoch auch ungünstig sein, da eventuell Bewegungen vom Sensor erfasst werden, die für die Lichtschaltung nicht relevant sein sollen. In diesem Fall ist es erforderlich, Raumbereiche für die Erfassung auszublenden. Dank der durchdringenden Erfassung ist es auch möglich, einen HF-Bewegungsmelder unsichtbar in einer Leuchte zu integrieren. Moderne Sensor-Leuchten können so als Licht-Komplettsysteme mit einer intelligenten Steuerung viel Energie und Geld sparen.

Sollen sie auf größeren Flächen oder über mehrere Etagen hinweg genutzt werden, können mehrere Leuchten via Bluetooth miteinander vernetzt werden. Gerade im Bestandsbau ist dies vorteilhaft, da eine zusätzliche Kabelverlegung entfällt. Per App einstellbare Parameter vereinfachen die Inbetriebnahme ohne Leiter. Gleiches gilt auch für Hochfrequenz-Sensoren, die bereits vorhandene Lichtsysteme automatisch schalten sollen.

Intelligente Hochfrequenz iHF

Bild 4: Der Bewegungsmelder iHF 3D eignet sich mit seiner Reichweite bis zu 7 m für Fassaden, Carports, Parkplätze und Terrassen

Die Tatsache, dass für einen HF-Sensor jede Bewegung relevant ist, begrenzte bis vor Kurzem seinen Einsatz noch auf den Innenbereich. Bei einem Einsatz im Außenbereich würden auch Bewegungen durch Regentropfen oder Insekten ein Schaltsignal auslösen, was natürlich nicht gewünscht ist.

Im Zuge der Weiterentwicklung der HF-Technik für die sensorische Lichtschaltung gelang es, ihren Einsatz auch im Außenbereich zu ermöglichen. Entstanden ist die sogenannte intelligente Hochfrequenz-Technik (iHF). Einem iHF-Bewegungsmelder wie dem iHF 3D (Bild 4) von Steinel fehlt die typische Linse, die PIR-Bewegungsmelder kennzeichnet, denn der iHF-Sensor wurde unsichtbar in das Gehäuse integriert. Aufgrund der durchdringenden Erfassung von HF-Wellen wird die Qualität hierdurch nicht beeinträchtigt.

Auch ein iHF-Sensor arbeitet nach dem bereits geschilderten Doppler-Prinzip. Die besondere Intelligenz liegt dabei aber in der Signalauswertung: Registriert der iHF-Sensor eine Bewegung, wird das Muster dieser Bewegung mittels einer Signalanalyse untersucht. Hierdurch ist es möglich, zwischen sich bewegenden Personen und sich bewegenden Objekten wie Sträuchern oder Tieren zu unterscheiden.

Filter gegen Störfaktoren

Spezielle Filter sorgen zudem dafür, dass der iHF-Sensor Bewegungen von Schnee, Regen, Blättern oder Kleintieren ignoriert. Diese Intelligenz macht es möglich, dass Fehlschaltungen quasi ausgeschlossen werden und der Sensor nur dann ein Schaltsignal auslöst, wenn tatsächlich Licht benötigt wird. Die Vorteile der HF-Bewegungserfassung können so auch auf den Außenbereich übertragen werden.
Praktisch ist dabei auch die digitale Einstellbarkeit des Erfassungsbereichs, die über drei Achsen exakt und vollflächig vorgenommen wird. So wird sichergestellt, dass der Sensor nur genau in dem Bereich Bewegungen erfasst, der für seinen Nutzer relevant ist (Bild 5).

Erfassung auch ohne Bewegung

Bild 5: Ein Bewegungsmelder mit iHF-Technik registriert nur die Bewegung einer Person in seinem klar abgrenzbaren Erfassungsbereich

Sowohl bei der PIR- als auch bei der HF-Technik setzt die Registrierung einer Person in einem bestimmten Bereich eine Bewegung voraus. Was aber, wenn sich eine Person im Raum befindet, die sich nicht bewegt, weil sie schläft? Hier würden die bekannten Technologien zu keinem sinnvollen Ergebnis führen.

Mit der Entwicklung der sogenannten »True Presence«-Technologie wurde darauf abgezielt, die Anwesenheit einer Person in einem Raum zuverlässig zu erkennen, unabhängig davon, ob sich die Person bewegt, ob sie liest oder schläft (Bild 6). Zur Erkennung wird dabei nicht mehr auf die Infrarotstrahlung und die Bewegungen eines Menschen geschaut, sondern auf dessen Vitalfunktionen in Form seiner sehr feinen Atemsignaturen.

 

15 Millionen Messungen pro Sekunde

Bild 6: Basierend auf einer neuen Hochfrequenz-Sensortechnik benötigt »True Presence« keine Bewegung für die Anwesenheitserfassung

Für die Registrierung einer anwesenden Person nutzt »True Presence« feinste HF-Messungen der Umgebung. Der HF-Sensor führt dabei pro Sekunde zirka 15 Millionen Messungen durch. Zudem wird eine neu entwickelte HF-Antenne genutzt. Sie besitzt eine Auflösung der Entfernungsmessung von etwa 10 cm. Die Sendeleistung liegt bei 1/1000 der Bluetooth-Sendeleistung.

Hinzu kommt eine spezielle Software, die das Signal digital auswertet und im Signalstrom typische menschliche Atemsignaturen filtern und erkennen kann. Dabei werden zwei Doppler-Auswertungen durchlaufen, um die Atemmuster exakt zu erkennen. So kann auf schnelle und sehr langsame Atembewegungen reagiert werden. Die Anwesenheit eines Menschen wird sicher angezeigt, wenn Mikrobewegungen der menschlichen Vitalfunktionen erkannt werden. Diese Information wird digital zur Verfügung gestellt und kann auf vielfältige Weise genutzt werden.

Fazit

Die zunehmende feinere und exakte Anwesenheitserfassung auf Basis der HF-Technologie eröffnet neue sensorische Möglichkeiten. Kann präzise angegeben werden, ob sich jemand in einem Raum aufhält oder nicht, kann nicht nur die Gebäudeautoma­tion bedarfsgerecht und energieeffizient gesteuert werden. In Kombination mit weiteren Raumparametern kann in einem Gebäude nicht nur ein immenses Energieeinsparpotenzial realisiert werden. Die digitale Sensortechnologie ebnet auch den Weg zum intelligenten Gebäude der Zukunft.

Autorin

Susanne Brock, für Steinel Vertrieb GmbH, Herzebrock-Clarholz

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

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