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Dezentrale Gebäudeautomatisierung mit Embedded-Modulen

Die klassische Gebäudeautomation kann mit den Forderungen nach höherer Energieeffizienz, niedrigeren Betriebskosten und steigendem Komfort nicht mehr mithalten. So benötigen die erweiterten Ansprüche an Barrierefreiheit oder die vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten einzelner Räume an individuelle Bedürfnisse neue leistungsfähige Technologien. Beispielsweise werden herkömmliche Schalter neben der Tür den aktuellen Anforderungen an Anwenderfreundlichkeit oder die Unterstützung körperlich eingeschränkter Menschen nicht mehr gerecht. Auch Fernbedienungen erweisen sich dafür nicht als die geeignete Alternative. Denn davon existieren oftmals bereits zu viele oder sie befinden sich nicht dort, wo sie benötigt werden, bzw. es sind im ungünstigsten Moment die Batterien leer. Hier sind Konzepte wie eine Sprachsteuerung die elegantere Lösung. Für die Realisierung solcher dezentralen Gebäudeautomatisierungen mittels Smart-Home- und Industrial-Internet-of-Things-Konzepten ist die Integration von Embedded-Modulen nicht mehr wegzudenken. Sie ermöglichen es, die zahlreichen Einsatzszenarien im modernen Lebensraum umzusetzen. Der Technologiespezialist und Elektronikdienstleister TQ entwickelt und produziert Embedded-Lösungen, die die Grundlage für dezentrale Gebäudeautomatisierungen darstellen. Die TQ-Group hat das Ziel, die Produkte ihrer Kunden durch leistungsfähige Embedded-Lösungen intelligent zu machen – vom Modul und Plattformen bis hin zu kundenspezifischen Carrier-Boards und Gesamtgeräten.

Der traditionelle Ansatz, die Gebäudeautomation über einen zentralen Schaltschrank vorzunehmen, erweist sich in vieler Hinsicht als nicht optimal. Angesichts der stetigen Zunahme an Bereichen und vielfältigen Funktionen, die sich automatisieren lassen, wachsender Etagengrößen und Gebäudehöhen, müssen Kabel immer weitere Strecken überbrücken und es kommen viele Relais zum Einsatz. Hohe Material- und Montagekosten, erschwerte Umsetzung in bestehenden Gebäuden sind die Folgen. Bus-Strukturen hingegen, wie sie in dezentraler Gebäudeautomation genutzt werden, kommen mit weniger Leitungen aus, senken die Installationskosten und reduzieren die Brandlast. Statt durch eine Verdrahtung werden hierbei alle Ein- und Ausgabegeräte der gesamten Elektroinstallation über eine Programmierung verknüpft. Die Signale zum Steuern, Regeln, Schalten und Überwachen tauschen die angeschlossenen Busteilnehmer (Bedienelemente, Sensoren, Aktoren usw.) über die Bus-Leitungen aus. Voraussetzung hierfür ist, dass die Installationsgeräte busfähig, das heißt, mit einer programmierbaren Steuerelektronik – Embedded-Modulen – ausgestattet sind.

Anbindung von Mikrofonen zum Einsatz von Spracherkennung

Idealerweise erkennen smarte Systeme durch ausgefeilte Sensorik inklusive Bildverarbeitung von selbst, was ihre Nutzer benötigen. Kommen beispielsweise Menschen in Rollstühlen oder mit Rollatoren in die Fahrstuhlkabine, passt sich die Türöffnungszeit automatisch an. Diese Art der proaktiven Hilfestellung ist auch bei der Gebäudewartung gefragt. Entsprechende Embedded-Module schaffen es, mehrere MEMS-Mikrofone (kleine Mikrofone für eine einfache Montage) auszuwerten. Dieses Set-up eignet sich ideal, wenn Sprachkommandos für eine komfortable Gerätebedienung zur Anwendung kommen, wie sie mit Siri und Alexa bereits aus der Consumer-Elektronikwelt bekannt sind. Zudem lassen sich diverse Geräusche analysieren, die an Führungsschienen, Motoren und Achslagern auftreten können. Verschlechterungen des Betriebszustandes sind somit rechtzeitig erkennbar und entsprechende Gegenmaßnahmen können noch vor einem potenziellen Ausfall ergriffen werden. Langfristig hilft diese, so genannte Predictive-Maintenance-Methode dabei, die Betriebskosten zu reduzieren. Neben der Betriebssicherheit eines Gebäudes (Safety) gilt es, auch die Ansprüche an die Security zu erfüllen. Wie das zum Beispiel bei der Speisung einer Alarmanlage, das Auslösen einer Aktion bei Hilferuf oder Kranken in Not erforderlich wird.

Kameraanbindung zum Einsatz von Gesichtserkennung

Ein weiterer Vorteil von Embedded-Modulen ist ihre Bestückung mit der definierten MIPI-CSI-Schnittstelle, die das Anschließen von Kameras für die Gesichtserkennung erlaubt. Damit lassen sich einfache Zugangskontrollen zu weniger sensiblen Bereichen wie dem hauseigenen Fitness-Center, aber auch Hochsicherheits-Authentifizierungen, basierend auf der Zwei-Token-Technologie, realisieren. Über Security-Chips sind Embedded-Module außerdem dafür gerüstet, diverse Aufgaben von der Geräte-zu-Geräte-Authentifizierung, dem Schutz von Sensordaten und Funkverbindungen bis hin zu Cloud-Onboarding und Blockchain-Transaktionen zu übernehmen.

Die Anbindung zahlreicher Geräte erfolgt über die Module drahtlos mittels WiFi (2,4 GHz und 5 GHz) und Bluetooth 5.0. Wesentlich höhere Reichweiten lassen sich mit IoT-Modulen über Funktechnikstandards wie NB-IoT, LTE und VoLTE erzielen. Letzterer ermöglicht sogar Sprachtelefonie für Hilferufe aber auch für erweiterte Servicedienstleistungen, die nicht vom Geräterepertoire abgedeckt sind und beispielsweise über ein Call Center laufen können. Darüber hinaus steht über die GNSS-Option (Global Navigation Satellite System) eine präzise Ermittlung des Standortes zur Verfügung.

Anbindung der Sensorik zur Überwachung von Raumklimawerten

Embedded-Module führen problemlos Strom-, Spannungs-, Widerstands- und Temperaturmessungen durch, wodurch sie sich fast die komplette Sensorik erschließen. Damit steht der Überwachung von Raumklimawerten wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur oder Kohlendioxid nichts mehr im Weg. Durch die geschickte dezentrale Kopplung der bisherigen Einzelsteuerungen lassen sich Verbrauchswerte wie Strom, Heizung und Kühlung reduzieren, was ein großes Einsparpotenzial erlaubt – ohne den Komfort oder die Sicherheit seiner Nutzer zu reduzieren.

Leistungsfähige Schnittstellen und Grafikeinheiten auf den Embedded-Modulen gewährleisten dabei beschleunigte Visualisierung sowie Vektorverarbeitung, was den Einsatz von Touchdisplays, einem Charakteristikum smarter Gebäudeautomation, ermöglicht. Denn die Nutzung einfacher LEDs für Statusinformationen entspricht nicht mehr den Konzepten moderner Nutzerführung und -bedienung.

Physikalische Herausforderungen bei der dezentralen Gebäudeautomation

In der dezentralen Gebäudeautomatisierung sind Robustheit und ein platzsparendes Design oftmals unentbehrlich. Während bei Neubauten der Platzbedarf dezentraler Gebäudeautomatisierungskomponenten großzügiger geplant werden kann, ist bei Altbauten meist kaum ein Spielraum vorhanden. Ebenso ist zu berücksichtigen, ob Komponenten Abwärme entwickeln. Speziell in Wohn- und Schlafbereichen werden Lüftergeräusche als störend empfunden. Außerhalb dieser wohltemperierten Zonen ist die Elektronik besonders im Außenraum häufig einem sehr großen Temperaturbereich ausgesetzt – von extremem Frost bis Hochsommerhitze ohne Schatten. Die technische Lösung dieser Anforderungen verlangt nach einem neuen Ansatz. Herkömmliche Mikrocontroller sind bei der notwendigen Rechenleistung überfordert und Prozessorsysteme weisen durch die thermischen und mechanischen Herausforderungen Defizite auf. Crossover-MCUs kombinieren diese beiden Welten – sie vereinen die Energieeffizienz eines Microcontrollers (MCU) mit der Rechenleistung eines Prozessors (CPU).

Der Technologiespezialist und Elektronikdienstleister TQ nutzt diese Bausteine und stellt damit Embedded-Module her, die die Grundlage für zahlreiche Steuerungen und andere smarte Geräte sein können. TQs Kunden, beispielsweise Hersteller von Steuerungen und Automatisierungstechnik erhalten so eine Basistechnologie, um ihre eigene Kernkompetenz effektiver einzubringen und so ihren Kunden bessere Produkte schneller und kostengünstiger zur Verfügung zu stellen. Die Module arbeiten auch unter harschen Bedingungen mit ihrem Einsatztemperaturbereich von -40°C bis +85°C und sind damit auch den Außeneinsatz konzipiert. Mit einer Größe von 31 mm mal 31 mm kommen die auflötbaren Module anspruchsvollen Platzanforderungen bei Altbaumodernisierungen entgegen. Die typische Leistungsaufnahme von einem Watt erspart aufwändige Kühlung und hält die Stromkosten gering. Als Besonderheit wird diese Modulserie über Power over Ethernet (PoE) auch gleich über das Daten- bzw. Ethernet-Kabel mit Strom versorgt. Das reduziert das Installationsaufwand, spart das Verlegen von Steckdosen und sorgt für mehr Platz in Leerrohren und Kabelschächten.

Embedded-Module erweisen sich in der dezentralen Gebäudeautomation als zukunftsfähig, da sie sehr einfach untereinander vernetzbar und erweiterbar sind. Das ist ein weiterer Pluspunkt für die Ablösung zentraler Steuerungen durch verteilte, skalierbare Lösungen. Dabei geht es nicht um den einfachen Ersatz eines Konzepts durch ein anderes, sondern um die Möglichkeit, mit gänzlich neuen Geräten neue Dienste in der Gebäudeautomation und damit für Smart Home und Industrial Internet of Things zu verwirklichen.

Autor: Konrad Zöpf, Produktmanagement und Deputy Director, TQ-Embedded

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