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Energieautarke Funksensoren mit NFC für smarte Gebäude

| Autor / Redakteur: Marián Hönsch * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Energieautarke Funksensoren für das vernetzte Gebäude lassen sich unkompliziert installieren. Per NFC gehen die Sensoren in Betrieb und Sensordaten werden per Funk übertragen.

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Smarte Gebäude: Energieautarke Funksensoren in Gebäuden lassen sich per NFC einrichten und sie kommunizieren über EnOcean, Bluetooth oder Zigbee.
Smarte Gebäude: Energieautarke Funksensoren in Gebäuden lassen sich per NFC einrichten und sie kommunizieren über EnOcean, Bluetooth oder Zigbee.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Sensoren sind die Augen und Ohren eines Gebäudes. Mit den gesammelten Daten liefern sie wichtige Informationen, um Gewerke wie Licht, Kühlung und Heizung in einem Gebäude intelligent zu steuern: Bei direkter Sonneneinstrahlung werden Jalousien automatisch heruntergefahren, die Heizung wird bei geöffnetem Fenster ausgeschaltet und Lichter werden automatisch beim Verlassen des Raumes ausgemacht.

Wie sieht das in der Praxis aus? Dank Internet der Dinge (IoT) und den von Sensoren erfassten Rohdaten kann in Echtzeit die Nutzung eines Gebäudes abgebildet werden. Welche Räume sind beispielsweise aktuell belegt? Das erfassen Präsenz- und Aktivitätssensoren oder zeigen, wie oft ein Besprechungsraum von wie vielen Personen tatsächlich genutzt wird. Gerade in Zeiten von Corona sind die durch Präsenz- und Aktivitätssensoren gewonnenen Daten wichtig, um die Ausbreitung des Virus durch die Einhaltung von Abstands- und Hygieneregeln einzudämmen. Funksensoren und -module liefern auf Grundlage von Energy Harvesting wichtige Daten, mit denen sich der Energieverbrauch in einem Gebäuden signifikant verbessern lässt. Damit verbessert sie gleichzeitig den CO2-Fußabdruck, wenn sich beispielsweise die Heizung dem Nutzungstakt anpasst. Das heißt, die Heizung schaltet sich rechtzeitig selbstständig an und auch wieder aus, sobald nicht mehr benötigt.

Sensoren überwachen das Gebäude

Mit Funksensoren lässt sich außerdem die Beleuchtung bedarfsgerecht und effizient steuern und an die Umgebung anpassen. Die Sensoren sorgen dafür, dass im Gebäude das Licht optimal funktioniert und sich das Licht automatisch an die Außenlichtverhältnisse anpasst. Dadurch wird unter anderem verhindert, dass den ganzen Tag über oder die ganze Nacht unnötigerweise das Licht an ist.

Die Funksensoren sind kabellos und damit kostengünstig zu installieren. Insbesondere die Sensoren des Herstellers EnOcean arbeiten nach dem Prinzip des Energy Harvesting: Sie funktionieren ohne Batterie und beziehen ihre Energie aus der unmittelbaren Umgebung – aus Bewegung, Licht und Temperatur. Damit sind sie gänzlich wartungsfrei. Sie lassen sich flexibel im Gebäude platzieren, da sie auf keine externe Stromquelle angewiesen sind.

Dadurch gewinnen sie exakte Informationen für eine effiziente Auswertung. Dank dieser Kombination eignen sich die energieautarken elektronischen Module zur Nachrüstung in Bestandsgebäuden, der den überwiegenden Anteil des Markts ausmacht. Das Aufbrechen von Wänden für Stromkabel oder der Einsatz von einer Vielzahl von Batterien werden hierbei überflüssig. Wichtig für Neubauten sind die Flexibilität und die Erweiterbarkeit eines funkbasierten Systems.

Funksensoren in Bestandsgebäuden

Funksensoren sind eine ressourcenschonende und kostengünstige Alternative, wenn Bestandsgebäude aufgerüstet oder in einem Neubau installiert werden.Das zeigt der direkte Vergleich zu kabelgebundenen Lösungen und Batterien. Für den Betrieb und die Funkkommunikation von Sensoren, Schaltern oder auch Aktoren sammeln sogenannte Energiewandler kleinste Energiemengen aus der Umgebung. Beim kinetischen Energy Harvesting wird Strom aus Bewegungsenergie gewonnen. So kann das Betätigen eines Schalters einen elektromechanischen Energiewandler aktivieren, der aus dem Tastendruck genug Energie erzeugt, um Haushaltsgeräte oder Leuchten ein- und auszuschalten, Lichtszenen abzurufen oder Rollläden zu steuern.

Um aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen, wandeln kleine Solarzellen, die auf Sensormodulen angebracht sind, das Licht in elektrische Energie um. Damit lassen sich Sensoren für Feuchtigkeit, Temperatur, Fensterkontakte oder Anwesenheit betreiben. Die Sensormodule nutzen die Energie zudem für die Kommunikation über verschiedene energiearme Funkstandards wie EnOcean auf 868 MHz, Zigbee oder Bluetooth. Ein integrierter Energiespeicher versorgt den Sensor auch ohne neue Energiezufuhr bis zu vier Tage lang mit Energie.

Mit einem Peltier-Element und einem DC/DC-Wandler lässt sich schon aus einem Temperaturunterschied von 2 °C Energie erzeugen, die ausreicht, um einen Funk-Sensor zu betreiben. Diese Methode eignet sich für energieautarke Heizventile, die die Temperaturdifferenz zwischen der Heizung und der Umgebung nutzen, um die Einstellung zu verändern und über Funk mit einem solarbetriebenen Raum-Controller zu kommunizieren.

Sensoren sprechen NFC und Bluetooth mit ihrer Umgebung

Ein funkbasiertes Sensorsystem sollte möglichst einfach einzurichten und sich an individuelle Gegebenheiten anpassen. Vor allem, wenn sich viele Sensoren zur Datenmessung für individuelle und bedarfsgerechte Optimierungsprozesse in einem Gebäude befinden. Eine schnelle und einfache Inbetriebnahme und Konfiguration der Sensoren ist unerlässlich. Dazu zählen beispielsweise die Auswertung der Lichtverhältnisse für das Energy Harvesting, die eindeutige Benennung und Lokalisierung der Sensoren im Gebäude und die Frequenz der Datenmessung je nach Art und Nutzung eines Raumes. Mit Near Field Communication (NFC) können die Anforderungen umgesetzt werden. Informationen wandern drahtlos von einem Gerät zum anderen bei einer maximalen Entfernung von maximal zwei Zentimetern. In diesem Fall von einem Sensor mit NFC-Schnittstelle zu einem NFC-Lesegerät. Das können beispielsweise NFC-fähige Smartphones oder Tablets sein.

Mit der App „EnOcean Tool“ lassen sich NFC-Geräte von EnOcean, die über den EnOcean-Funkstandard (ISO/IEC 14543-3-10 / 11) kommunizieren, konfigurieren und in Betrieb nehmen. Dazu zählen der solarbasierte Multisensor STM 550, bei dem Temperatur-, Feuchte-, Beleuchtungs-, Beschleunigungs- und Magnetkontaktsensoren in einem kleinen Gehäuse vereint wurden, und das Schaltermodul PTM 215 mit einer NFC-Schnittstelle. Die Art der Datenübertragung ist aufgrund der geringen Entfernung zwischen Sender und Empfänger besonders sicher.

Die NFC-Schnittstelle ist zusätzlich geschützt und somit ist auch ein hoher Datenschutz gewährleistet. Die Inbetriebnahme der Sensoren ist vor allem für Installateure und Erstausstatter (OEMs) sehr interessant. Mit einem externen NFC-Reader müssen die Sensoren für die Inbetriebnahme und Konfiguration nicht einmal aus ihren Schaltergehäusen genommen werden.

Ein weiterer Pluspunkt: Dank des NFC-Standards lassen sich die Module direkt vor Ort oder vor der Auslieferung konfigurieren. Wichtig für Installateure ist zudem, dass sich die gesamte Inbetriebnahme des NFC-Geräts dokumentieren lässt.

Der Multisensor STM 550 im Überblick

Der energieautarke Funksensor bezieht seine Energie aus dem Umgebungslicht, weshalb er mit einer integrierten Solarzelle ausgestattet ist. Außerdem ist der Sensor in der Lage, die Energie zu speichern. Dazu verfügt er über eine integrierte Solarzelle. Die Energie speichert er für eine unterbrechungsfreie Funktion über mehrere Tage mit wenig oder gar keinem Licht. Der Sensor kommuniziert auf einen proprietären Funkstandard mit 868 MHz sowie über Bluetooth. Der Multisensor verfügt über eine integrierte NFC-Schnittstelle, mit der er sich konfigurieren und in Betrieb nehmen lässt.

* Marián Hönsch arbeitet bei EnOcean als Produkt-Manager in Oberhaching bei München.

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