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Die
Erfindung betrifft ein Prozessorelement, ein Verfahren zum Initialisieren
eines Prozessorelements und eine Prozessor-Anordnung.
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In
vielen Bereichen der Haustechnik werden elektronische Bauteile,
insbesondere Sensoren und Aktoren, vorzugsweise Anzeigeelemente,
in Fußböden, Wänden oder
Decken verlegt. Dadurch kann eine Berührung bzw. ein Druck wahrgenommen
werden und auf die Existenz einer Berührung reagiert werden, z.B.
durch eine optische Anzeige oder eine akustische Anzeige.
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Die
verwendeten elektronischen Bauteile können beispielsweise mittels
elektrisch leitfähiger Fasern,
die in die Textilien integriert sind, miteinander verbunden sein
und bilden ein Netzwerk, das mit einem Steuer- bzw. Überwachungsrechner
verbunden ist. Ein besonderes Merkmal eines solchen Netzwerks ist
die Fähigkeit
zur Selbstorganisation, wobei Signalpfade zwischen den elektronischen
Bauteilen und zu dem Steuerrechner selbstständig unter Berücksichtigung
eventuell ausgefallener elektronischer Bauteile und Verbindungen
ausgewählt
werden. Ein solches selbstorganisiertes Netzwerk ist in [1] beschrieben.
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Dieses
herkömmliche
Netzwerk wird aus einer Vielzahl gleichförmiger elektronischer Bauteile gebildet,
so dass sich die elektronischen Bauteile in unterschiedlichen Bereichen
der Flächenverkleidungsstruktur
nicht unterscheiden.
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Bisher
wurden, wie unter [1] beschrieben ist, eine Vielzahl von gleichartigen
Prozessormodulen mit gleichen Eigenschaften und einheitlicher Bestückung mit
Sensoren und/oder LEDs in regelmäßigen Abständen in
das Netzwerk eingebracht. Die gesamte Fläche hat demnach die gleiche
Funktionalität.
Die Selbstorganisation und die Fehlertoleranz, sowie der Datenaustausch
mit einem externen Steuerrechner ist ebenfalls in [1] beschrieben.
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In
zunehmenden Maße
wird eine Integration von Mikroelektronik in Flächenverkleidungsstrukturen
angestrebt, um so von rein passiven Funktionen zu aktiven (z.B.
Anzeigen) bzw. interaktiven Funktionen (z.B. Sensorfelder) zu gelangen.
Ein wichtiger Aspekt der Systemintegration ist dabei die Selbstorganisation
und die Fehlertoleranz.
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Der
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, die Anwendungsmöglichkeiten
von Prozessor-Anordnungen auf einfache und kostengünstige Weise zu
erweitern.
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Das
Problem wird durch ein Prozessorelement, eine Prozessor-Anordnung sowie durch
ein Verfahren zum Initialisieren eines Prozessorelements mit den
Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
Prozessorelement weist eine Prozessoreinheit und mindestens eine
bidirektionale Kommunikationsschnittstelle zum Anschließen mindestens
eines anderen Prozessorelements an die Prozessoreinheit auf, wobei
die Prozessoreinheit eingerichtet ist zum Bestimmen eines Abstands
des Prozessorelements von einer Referenzposition mittels Nachrichtenaustauschs
mit mindestens einem anderen angeschlossenen Prozessorelement, wobei
jede Nachricht eine Abstandsinformation enthält, welche den Abstand einer
die Nachricht sendenden Prozessoreinheit oder den Abstand einer
die Nachricht empfangenden Prozessoreinheit von der Referenzposition angibt.
Ferner weist das Prozessorelement eine Mehrzahl von mit der Prozessoreinheit
gekoppelten Aufnahmeplätzen
zum Anschließen
von Sensoren und/oder Aktoren an die Prozessoreinheit und eine Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit
zum Ermitteln, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz
angeschlossen ist, auf.
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Eine
Prozessor-Anordnung weist eine Vielzahl von miteinander gekoppelten
Prozessorelementen auf, wobei jedes Prozessorelement eine Prozessoreinheit,
die eingerichtet ist zum Bestimmen eines Abstands des Prozessorelements
von einer Referenzposition mittels Nachrichtenaustauschs mit mindestens
einem anderen angeschlossenen Prozessorelement, wobei jede Nachricht
eine Abstandsinformation enthält,
welche den Abstand einer die Nachricht sendenden Prozessoreinheit
oder den Abstand einer die Nachricht empfangenden Prozessoreinheit von
der Referenzposition angibt, mindestens eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle
zum Anschließen
mindestens eines anderen Prozessorelements an die Prozessoreinheit,
eine Mehrzahl mit der Prozessoreinheit gekoppelter Aufnahmeplätze zum Anschließen von
Sensoren und/oder Aktoren an die Prozessoreinheit und eine Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit
zum Ermitteln, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz
angeschlossen ist, aufweist.
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Ein
Verfahren zum Initialisieren eines Prozessorelements weist auf ein
Ermitteln des Abstands des Prozessorelements von der Referenzposition
unter Austausch von Nachrichten mit dem Prozessorelement benachbarten
Prozessorelementen mittels der Prozessoreinheit sowie ein Ermitteln,
ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz angeschlossen
ist, mittels der Prozessoreinheit. Ferner wird der Abstand und eine
Angabe, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz
angeschlossen ist, an eine Steuereinheit gesendet.
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Anschaulich
kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass ein Prozessorelement bereitgestellt
wird, das mit Sensoren und Aktoren in unterschiedlicher Kombination,
beispielsweise mit unterschiedlichen Arten von Sensoren bzw. Aktoren, bestückt ist,
wobei eine Mehrzahl von Prozessorelementen ein selbstorganisiertes
Prozessor-Netzwerk bilden. In anderen Worten wird das selbstorganisierte Prozessor-Netzwerk
so erweitert, dass verschiedene Sensoren und Aktoren gemeinsam verwendet
werden können,
wobei die Bestückung
der Prozessorelemente mit den Sensoren und/oder Aktoren jeweils bei
einem Initialisierungsvorgang erneut festgestellt werden kann.
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Jedes
Mikroelektronikmodule, beispielsweise jedes Prozessorelement, weist
auf einen Prozessor, der mittels Nachrichtenaustausch mit benachbarten
Prozessoren den Abstand zu einer Referenzposition, z.B. zu einem
Steuerrechner, im Folgenden auch allgemein bezeichnet als Steuereinheit,
ermittelt, wodurch eine selbstorganisierte Signalpfadstruktur in
dem Netzwerk erzeugt wird. Während
der Initialisierungsphase des Netzwerkes ermittelt der Prozessor
den Abstand des Prozessorelements von der Referenzposition, beispielsweise
gemäß dem in
[1] beschriebenen Verfahren. Ferner detektiert der Prozessor mittels
der Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit die
auf dem Mikroelektronikmodul, beispielsweise dem Prozessorelement,
angeordneten Sensoren und/oder Aktoren und gibt diese Information
beispielsweise an den Steuerrechner weiter. Damit ist von jedes
einzelne Prozessorelement zusätzlich
zu dessen Position innerhalb des Prozessor-Netzwerks bekannt, welche
Sensoren und/oder Aktoren auf welchen Aufnahmeplätzen angeschlossen sind und
welche Funktionalitäten
jedes Prozessorelement daher bietet.
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Da
jedes Prozessorelement individuell mit Sensoren und/oder Aktoren
bestückt
sein kann, wird eine uneinheitliche Bestückbarkeit der Prozessorelemente
und damit eine erhebliche Flexibilität des Prozessor-Netzwerks hinsichtlich unterschiedlicher
Anwendungen/Anwendungsaspekte aufgrund der unterschiedlichen realisierbaren
Funktionen von Prozessorelementen in demselben Prozessor-Netzwerk erreicht.
Ferner wird ermöglicht,
dass bestimmte Sensoren und/oder Aktoren in unregelmäßigen Abständen angeordnet
sind, da nicht jedes der im Allgemeinen regelmäßig angeordneten Prozessorelemente
einen Sensor bzw. Aktor aufzuweisen braucht.
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In
anderen Worten zusammengefasst, können bei der Erweiterung des
an sich bekannten selbstorganisierenden fehlertoleranten Netzwerkes
verschiedene Sensoren und/oder Aktoren im Netzwerk integriert werden
und so lokal unterschiedliche Funktionalitäten zur Verfügung gestellt
werden. Erreicht wird dies beispielsweise durch die zusätzliche
Abfrage während
der Initialisierungsphase des Netzwerkes nach vorhandenen Bauelementen
und die Meldung der identifizierten Funktionalitäten, d.h. der Bauelemente,
an den Steuerrechner. In der Applikation in dem Steuerrechner kann
gewählt
werden, ob alle vorhandenen Funktionalitäten genutzt werden oder nur
bestimmte lokal selektiert werden. So wird erreicht, dass teure
Bauelemente nur an bestimmten später
benötigten
Stellen eingebaut werden und der Preis des Gesamtsystems nicht unnötig verteuert wird.
Ebenso wird bei lokal wählbaren
Funktionalitäten
der Datenaustausch im Netzwerk auf ein Minimum reduziert.
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Beispielsweise
weist das Prozessorelement eine Sensortyp/Aktortyp-Ermittlungseinheit
zum Ermitteln des Sensortyps bzw. Aktortyps eines an einen Aufnahmeplatz
angeschlossenen Sensors und/oder Aktors auf.
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Zusätzlich zu
dem einfachen Erkennen, ob ein Sensor bzw. Aktor an einem Aufnahmeplatz
angeschlossen ist, kann die Sensortyp/Aktortyp-Ermittlungseinheit
auch den Typ des Sensors bzw. Aktors feststellen.
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Unter
einem Typ eines Sensors oder Aktors ist beispielsweise eine Gruppierung
der Sensoren bzw. Aktoren zu verstehen, so dass sich Sensoren unterschiedlicher
Gruppen (unterschiedlichen Typs) bzw. Aktoren unterschiedlicher
Gruppen (unterschiedlichen Typs) in wenigstens einer funktionserheblichen
Eigenschaft unterscheiden. Zum Beispiel ist in diesem Sinn ein Drucksensor
ein anderer Typ von Sensor als ein Temperatursensor oder eine grünleuchtende
LED ist ein anderer Typ von Aktor als eine rotleuchtende LED. Genauso
können
rotleuchtende LEDs mit unterschiedlicher Helligkeit unterschiedliche
Typen darstellen. Weiterhin sind voneinander unterschiedliche Sensortypen
beispielsweise: ein Mikrophon, ein Drucksensor, ein Temperatursensor, oder
ein Rauchsensor. Weiterhin sind beispielsweise eine lichtemittierende
Diode und ein Schallgeber unterschiedliche Aktortypen.
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Es
ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit und/oder
die Sensortyp/Aktortyp-Ermittlungseinheit in der Prozesoreinheit
integriert sein kann, anders ausgedrückt, die Prozessoreinheit eines
jeweiligen Prozessorelements kann zusätzlich zu ihren anderen Funktionen
noch die Funktionalität
der Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit und/oder der Sensortyp/Aktortyp-Ermittlungseinheit
bereitstellen, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden
Computerprogramms.
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In
dem Prozessorelement sind mindestens ein Sensor und/oder ein Aktor
an einem diesem jeweils zugeordneten Aufnahmeplatz angeschlossen. Insbesondere
ist der mindestens eine Sensor und/oder der mindestens eine Aktor
mit dem diesem jeweils zugeordneten Aufnahmeplatz lösbar gekuppelt.
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Vorteil
dieses Ausführungsbeispiels
ist der einfachere Herstellungsprozess des Prozessorelements, da
für Aktoren
bzw. für
Sensoren standardisierte Aufnahmeplätze vorgesehen sind, an den
jeder Typ von Sensoren bzw. Aktoren angeschlossen sein kann. Ferner
ist es von Vorteil, wenn die Verbindung zwischen dem Aufnahmeplatz
und dem jeweiligen Sensor bzw. Aktor lösbar ist, so dass der Sensor bzw.
Aktor austauschbar ist.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist der mindestens eine Sensor und/oder der mindestens eine Aktor
monolithisch in das Prozessorelement integriert.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
können bei
der Herstellung der Prozessorelemente in weiteren Schritten Sensoren
und/oder Aktoren bereits auf dem Prozessorelement integriert werden,
um die Herstellungskosten zu senken.
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Zumindest
einer der Sensoren kann als ein Mikrophon, ein Drucksensor, ein
Temperatursensor, oder ein Rauchsensor eingerichtet sein. Ferner
kann zumindest einer der Aktoren als eine lichtemittierende Diode
oder ein Schallgeber eingerichtet sein.
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Somit
kann das Prozessorelement auf eine Vielzahl von möglichen
Einsatzgebieten eingerichtet werden, indem die jeweils benötigten Sensoren und/oder
Aktoren angeschlossen bzw. integriert werden.
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Besonders
bevorzugt weist das Prozessorelement ein Substrat auf, auf dem die
Prozessoreinheit aufgebracht ist. Insbesondere ist das Substrat eine
Kunststofffolie, ein Textilmaterial oder Papier.
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Auch
das Substrat, auf dem die Prozessoreinheit aufgebracht ist, kann
den Gegebenheiten einer bestimmten Anwendung angepasst sein. Beispielsweise
eignet sich eine Kunststofffolie besonders für Anwendungen mit besonderer
mechanischen Anforderungen, da die Kunststofffolie mit Wasser abwaschbar
ist. Ein Textilmaterial, z.B. Teppich, eignet sich insbesondere
für Anwendungen
in Häusern
und Fahrzeugen, da es sich wärmer
anfühlt.
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In
einem Ausführungsbeispiel
weist das Verfahren die weiteren Schritte Ermitteln, welcher Sensor
und/oder welcher Aktor an einen Aufnahmeplatz angeschlossen ist,
mittels der Prozessoreinheit, und Senden des Abstands und einer
Angabe, welcher Sensor und/oder welcher Aktor an einen Aufnahmeplatz
angeschlossen ist, an eine Steuereinheit, auf.
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In
einem Ausführungsbeispiel
weist die Prozessor-Anordnung ein Prozessorelement mit einer eine
Sensortyp/Aktortyp-Ermittlungseinheit
zum Ermitteln des Sensortys bzw. Aktortyps eines an einen Aufnahmeplatz
angeschlossenen Sensors und/oder Aktors auf.
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Beispielsweise
weist in der Prozessor-Anordnung ein Teil von ersten Prozessorelementen mindestens
einen ersten Sensor und/oder mindestens einen ersten Aktor auf,
wobei der mindestens eine erste Sensor und/oder der mindestens eine
erste Aktor an einem diesem jeweils zugeordneten Aufnahmeplatz angeschlossen
sind/ist, ein Teil von zweiten Prozessorelementen mindestens einen zweiten
Sensor und/oder mindestens einen zweiten Aktor auf, wobei der mindestens
eine zweite Sensor und/oder der mindestens eine zweite Aktor an
einem diesem jeweils zugeordneten Aufnahmeplatz angeschlossen sind/ist,
wobei der zweite Sensor von einem anderen Sensortyp ist wie der
erste Sensor und/oder wobei der zweite Aktor von einem anderen Aktortyp
ist wie der erste Aktor.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung weist die Prozessor-Anordnung eine Steuereinheit zum
Empfangen von Informationen von den Prozessorelementen und zum Senden
von Informationen zu den Prozessorelementen auf.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Prozessor-Anordnung ist zumindest ein Teil der Prozessorelemente
der Vielzahl von miteinander gekoppelten Prozessorelementen in mehrere
Gruppen gruppiert, wobei die Prozessorelemente jeweils einer Gruppe
Sensoren) vom gleichen Sensortyp und/oder Aktor(en) vom gleichen
Aktortyp aufweisen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Prozessor-Anordnung
auf einem Textilmaterial aufgebracht, wobei das Textilmaterial elektrisch
leitfähige
Fäden aufweist,
mittels derer die Prozessorelemente miteinander gekoppelt sind.
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Textilmaterialien
eignen sich besonders gut, da mit herkömmlichen Fasern auch leitfähige Fasern verwebt
werden können,
die ein einfaches Anschließen
des Prozessorelements erlauben. Ferner können Textilmaterialien leicht
zugeschnitten werden und somit an alle Oberflächen angepasst werden.
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Besonders
bevorzugt weist in der Prozessor-Anordnung zumindest ein Teil der
Prozessorelemente jeweils mindestens ein Anzeigeelement auf, wobei
eine jeweilige Prozessoreinheit derart eingerichtet ist, dass für den Fall,
dass sie ermittelt, dass eine zuvor bestehende Kommunikationsverbindung des
zugehörigen
Prozessorelements zu einem benachbarten Prozessorelement unterbrochen
ist, das Anzeigeelement zum Leuchten ansteuert.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
ist für
Bauwerke und Vorrichtungen geeignet, bei denen auf Risse zu achten
ist. Dazu kann die Prozessoranordnung in einem leicht reißbaren Material,
wie z.B. Papier, angeordnet sein, das fest mit besonders beanspruchten Teilen
der Bauwerke und Vorrichtungen verbunden ist, damit das Papier reißt, wenn
ein Riss auftritt. In diesem Fall wird der Riss aufgrund unterbrochener elektrischer
Verbindungen zu benachbarten Prozessorelementen festgestellt und
ein Anzeigeelement aktiviert, das in der Nähe des Risses angeordnet ist, um
den Riss anzuzeigen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist in der Prozessor-Anordnung mindestens
ein erstes Prozessorelement einen Rauchsensor auf, und mindestens
ein zweites Prozessorelement ein Anzeigeelement auf, und die Steuereinheit
ist als Rauchmeldesystem eingerichtet.
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Es
ist ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels,
dass mittels der Prozessor-Anordnung, die z.B. auf einer Textilie
angeordnet sein kann, ein engmaschiges Netzwerk zur Brandüberwachung
geschaffen wird, wobei diese Textilie auch Anzeigeelemente aufweist,
so dass gleichzeitig mit der Detektion von Rauch ein Warnsignal
ausgegeben wird. Insbesondere ist es ein Vorteil dieser Anordnung,
dass die Anzeigeelemente einen Fluchtweg anzeigen können.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform weist
in der Prozessor-Anordnung zumindest ein Teil der Prozessorelemente
Drucksensoren auf, wobei die jeweiligen Prozessoreinheiten eingerichtet
sind zum Senden der erfassten Druckinformationen an die Steuereinheit,
und eine mit der Steuereinheit gekoppelte Bewegungserfassungseinheit,
welche eingerichtet ist zum Ermitteln von einer Bewegung eines Objekts
entlang der Prozessorelemente aus den der Steuereinheit übermittelten
Druckinformationen.
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Eine
solche Anordnung ist besonders vorteilhaft in Bereichen, in denen
die Bewegungen von Menschen oder Maschinen überwacht werden. Beispielsweise
können
die Drucksensoren im Boden angeordnet sein, so dass die Position
eines Menschen oder einer Maschine jederzeit festgestellt werden kann.
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Weiterhin
kann in der Prozessor-Anordnung zumindest ein Teil der Prozessorelemente
jeweils mindestens ein Anzeigeelement aufweisen, und eine mit der
Steuereinheit gekoppelte Anzeige-Steuereinheit,
kann eingerichtet sein zum Senden von Anzeigeinformation an eine
oder mehrere der Prozessorelemente mittels der Steuereinheit.
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Zum
Beispiel kann in großen,
unübersichtlichen
Gebäuden
wie Museen, zeitabhängig
von Steuerrechner gesteuert, der Weg zu besonderen Ausstellungen
oder zu den Ausgängen
angezeigt werden. Ebenso können
auf Textilbeton oder einem Straßenbelag
Prozessorelemente angeordnet sein, so dass mittels der Steuereinheit
flexibel Leuchtdioden zum Markieren des Straßenverlaufs oder einer vorgebbaren
Route, beispielsweise eine Umleitung bei einem Unfall oder einer
Verkehrsstörung,
angezeigt werden können.
Dieses System ist z.B. auch in Baustellenbereichen auf Straßen anwendbar.
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Insbesondere
können
diese Anordnungen Vorteile aufweisen, wenn Abschnitte der Prozessor-Anordnung
Sensoren aufweisen, während
andere Abschnitte Aktoren aufweisen. Zum Beispiel kann das Rauchmeldesystem
mit einem intelligenten Leitsystem gekoppelt sein, so dass Menschen
in einem Gebäude
der jeweils schnellste Weg von der Rauchquelle weg nach draußen angezeigt
wird, z.B. durch beleuchtete Pfeile auf dem Teppich oder an der Wand.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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1 zeigt
eine flächige
Textilie, in die eine Mehrzahl von Prozessorelementen eingearbeitet
ist.
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2 zeigt
eine detaillierte Darstellung eines Prozessorelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 zeigt
ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an
einem Aufnahmeplatz angeschlossen ist.
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4A zeigt
eine detaillierte Ansicht einer Mehrzahl von Prozessorelementen
in verschiedenen Konfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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4B zeigt
die Anordnung von Prozessorelementen gemäß 4A, wobei
verschiedene definierte Bereiche in dieser Anordnung dargestellt
sind.
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5A bis 5C zeigen
ein Verfahren zum Aufbringen eines Prozessorelements auf einer Textilie.
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Die
beschriebenen Figuren dienen nur zur Erklärung der Erfindung und stellen
insbesondere keine maßstabsgetreuen
Abbildungen des Gegenstands der Erfindung dar.
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Über alle
Figuren hinweg sind, wo möglich, Bestandteile
der Figuren jeweils mit der gleichen Bezugsnummer bezeichnet.
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1 zeigt
eine flächige
Textilie 10, in die eine Mehrzahl von Prozessorelementen 100 eingearbeitet
ist.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer flächenförmigen Textilie 10,
z.B. einem Teppich, der eine Mehrzahl von Prozessorelemente 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufweist. Die flächenförmige Textilie 10 ist
dabei nicht auf Teppiche beschränkt,
sondern kann auch jedes andere Material aufweisen, in das Prozessorelemente 100 eingearbeitet
werden können,
und die in Wohn- und Arbeitsräumen
verlegt bzw. angebracht werden können.
Die flächenförmige Textilie 10 kann
insbesondere auch durch Zuschneiden in die gewünschte Form und Größe gebracht
werden.
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Die
Prozessorelemente 100 sind in dem Teppich matrixförmig angeordnet,
und jeweils mit dem horizontal und vertikal benachbarten Prozessorelement 100 elektrisch
leitend verbunden, wobei in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur eine einzige Verbindungsleitung 30 zwischen jeweils
zwei Prozessorelementen 100 dargestellt ist. Mindestens eines
der Prozessorelemente 100 weist eine elektrisch leitfähige Verbindung 30 zu
einem extern angeordneten Steuerrechner 20 auf.
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Zur
Verwirklichung eines solchen Systems in Textil sind leitfähige Fasern,
wie die elektrisch leitfähige
Verbindung 30 vorgesehen, die aus dünnen Metalldrähten aus
Kupfer, versilbertem Kupfer oder Stahl, oder Kunststoff-basierten
Fasern aus einem Polymer, einem metallbeschichtetem Polymer, Carbonfasern
oder ähnlichem
bestehen, und zur Stromversorgung und Datenübertragung und gegebenenfalls
als Sensoren im flächigen
Textil integriert sind. Insbesondere sind eingebrachte mikroelektronische Systeme
in Chip- oder Modulform elektrisch und mechanisch fest mit diesen
leitfähigen
Fasern verbunden sein. Die Verbindungstechnologie ist dabei preiswert,
leicht justierbar, schnell, zuverlässig und robust sein.
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Alternativ
können
eines oder eine Mehrzahl von Prozessorelementen 100 auf
oder in einer Kachel angeordnet sein, wobei die Kachel mit anderen Kacheln
gekoppelt werden kann. Die Kacheln weisen Anschlüsse auf, die eine elektrisch
leitfähige
Verbindung zwischen benachbarten Kacheln und somit zwischen den
Prozessorelementen 100 ermöglichen. Durch Aneinanderlegen
von Kacheln, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den benachbarten Kacheln
hergestellt wird, können
beliebige Flächen abgedeckt
werden.
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Ferner
können
eines oder eine Mehrzahl von Prozessorelementen 100 aus
oder in einem Flächenverkleidungs-Modul
angeordnet sein, wobei das Flächenverkleidungs-Modul
mindestens einen Stromversorgungsanschluss, mindestens eine Datenübertragungs-Schnittstelle sowie
mindestens eine Prozessoreinheit aufweist, die mit dem Stromversorgungsanschluss
oder der Datenübertragungs-Schnittstelle
gekoppelt ist. Das Flächenverkleidungs-Modul
kann eine Kachel, eine Fliese, ein Parkettelement oder ein Laminatelement
sein.
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Mittels
des Steuerrechners 20 können
die Datensignale der Prozessorelemente 100 ausgelesen und
angezeigt werden und Steuersignale zum Steuern der Prozessorelemente 100 in
das Netzwerk eingespeist werden. Dazu weist der Steuerrechner 20 eine
Eingabeeinheit, z.B. eine Tastatur (nicht dargestellt), eine Ausgabeeinheit,
z.B. einen Bildschirm (nicht dargestellt), und weitere herkömmliche
Komponenten eines PCs auf.
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Der
Herstellungsprozess eines solchen Textils kann von Rolle zu Rolle
machbar sein, so dass er in die Produktionskette von Textilien integriert
werden kann. Die so entstandene mit Mikroelektronik versehene Fläche wird
dann in die gewünschte
Umgebung integriert.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
erlaubt eine Kontrolle und Steuerung der Prozessorelemente und der
Sensoren, so dass z.B. an eine Überwachungszentrale
ein Alarmsignal ausgegeben wird, wenn Drucksensoren im Teppichboden
einen Menschen melden, was auf einen Einbruch hinweist. Dieses Ausführungsbeispiel
hat den weiteren Vorteil, dass es im Gegensatz zu einem herkömmlichen
Bewegungsmelder, nicht von kleinen Tieren, wie z.B. Vögeln oder
Katzen, ausgelöst
wird.
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Das
Prozessorelement 100 ist in 2 detaillierter
dargestellt.
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2 zeigt
eine detaillierte Darstellung des Prozessorelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
in 2 dargestellte Prozessorelement 100 ist
hier als ein Quadrat dargestellt und weist einen Prozessor 110,
eine Mehrzahl von Aufnahmeplätzen 120 für Sensoren
und Aktoren und eine Mehrzahl von Anschlusskontakten 130 auf.
Jedoch sind in 2 keine Sensoren und/oder Aktoren
in den Aufnahmeplätzen 120 angebracht,
was durch die Strichlinie angedeutet wird. Das Prozessorelement 100 ist
mittels einer Mehrzahl von Verbindungsleitungen 30 an einen
Steuerrechner 20 angeschlossen. Vorzugsweise ist die zu
integrierende Mikroelektronik in ein Textil oder auf einer Folie,
z.B. einer Polyesterfolie mit Metallkaschierung, die auch für RFID-Tags
verwendet wird, aufgebracht.
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Die
Anschlusskontakte 130 dienen zum Herstellen einer elektrisch
und mechanisch festen Verbindung zwischen benachbarten Prozessorelementen 100 bzw.
zwischen einem Prozessorelement 100 und einem Steuerrechner 20 mittels
elektrisch leitfähiger
Drähte.
Die Anschlusskontakte 130 sind aus einem der bekannten
elektrisch leitfähigen
Materialien hergestellt und mittels bekannter Prozesse auf das Prozessorelement 100 aufgebracht.
In 2 weist das Prozessorelement 100 an jeder
seiner vier Seiten beispielhaft vier Anschlusskontakte 130 auf.
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Der
Prozessor 110 empfängt
Steuersignale und Datensignale mittels der Anschlusskontakte 130 und
gibt seinerseits Steuersignale und Datensignale mittels der Anschlusskontakte 130 aus.
Insbesondere ist der Prozessor 110 zum Weiterleiten von
Steuersignalen und Datensignalen, sowie der Versorgungsspannung
von benachbarten Prozessorelementen 100 an weitere Prozessorelemente 100 eingerichtet.
Dazu ist das Prozessorelement 100 zum Erkennen der Funktionsfähigkeit
der Verbindung zu benachbarten Prozessorelementen 100 und
zum Einrichten eines selbstorganisierten Netzwerkes eingerichtet.
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Ein
Verfahren zum Bestimmen eines Abstands von Flächen-Verkleidungsmodulen der Flächen-Verkleidungsmodul-Anordnung
zu mindestens einer Referenzposition weist die folgenden Schritte auf,
wie sie beispielsweise auch in [1] ausführlich beschrieben sind, wobei
hinsichtlich der detaillierten Beschreibung dieser Vorgehensweise
auf [1] verwiesen wird:
- • von einer Prozessoreinheit
eines ersten Flächen-Verkleidungsmoduls
wird eine erste Nachricht erzeugt, wobei die erste Nachricht eine
erste Abstandsinformation enthält,
welche den Abstand des ersten Flächen-Verkleidungsmoduls
oder den Abstand eines die erste Nachricht empfangenden zweiten
Flächen-Verkleidungsmoduls
von der Referenzposition enthält,
- • von
der Prozessoreinheit des ersten Flächen-Verkleidungsmoduls wird die erste Nachricht
zu der Prozessoreinheit des zweiten Flächen-Verkleidungsmoduls gesendet,
- • der
Abstand der Prozessoreinheit des zweiten Flächen-Verkleidungsmoduls von der Referenzposition
wird bei dem abhängig
von der Abstandsinformation ermittelt oder gespeichert,
- • von
der Prozessoreinheit des zweiten Flächen-Verkleidungsmoduls wird eine zweite
Nachricht erzeugt, welche eine zweite Abstandsinformation enthält, welche
den Abstand des zweiten Flächen-Verkleidungsmoduls
oder den Abstand eines die zweite Nachricht empfangenden dritten Flächen-Verkleidungsmoduls
von der Referenzposition enthält,
- • die
zweite Nachricht wird von der Prozessoreinheit des zweiten Flächen-Verkleidungsmoduls
zu der Prozessoreinheit des dritten Flächen-Verkleidungsmoduls gesendet,
- • abhängig von
der zweiten Abstandsinformation wird der Abstand des dritten Flächen-Verkleidungsmoduls
von der Referenzposition ermittelt oder gespeichert,
- • die
Verfahrensschritte für
alle Flächen-Verkleidungsmodule
werden in der Flächen-Verkleidungsmodul-Anordnung
durchgeführt.
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Im
Folgenden wird mit Bezugnahme auf 3 ein Verfahren
dargestellt, mit dem von der Prozessoreinheit bestimmt wird, ob
ein Sensor und/oder ein Aktor an einem Aufnahmeplatz angeschlossen ist.
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Nach
dem Bestimmen eines Abstands von Flächen-Verkleidungsmodulen der Flächen-Verkleidungsmodul-Anordnung
zu mindestens einer Referenzposition werden folgende Schritte durchgeführt:
- • Sequenzielles
Prüfen
(S210) der Aufnahmeplätze,
ob sie mit einem Aktor oder einem Sensor verbunden sind. Beispielsweise
kann das Prüfen durchgeführt werden,
indem ein Widerstand an dem Aufnahmeplatz gemessen wird. Falls der
Widerstand einen vorgegebenen Wert übersteigt, so kann angenommen
werden, dass auf dem jeweiligen Aufnahmeplatz kein Sensor oder Aktor
angeschlossen ist. Falls der gemessene Widerstand einen endlichen
Wert aufweist, kann aus dem Widerstandswert auf den Typ des Sensors
oder Aktors geschlossen werden.
- • Senden
einer Nachricht (S220) an einen Steuerrechner. Der Steuerrechner
weist ein Programm auf, das dazu eingerichtet ist, aus den empfangenen
Nachrichten, die eine Identifikationsnummer des Prozessors und die
von dem Prozessor gemessenen Widerstandswerte aufweist.
- • Anzeigen
der detektierten Funktionalitäten (S230)
der Prozessoren an dem Steuerrechner, der eine Software-Anwendung aufweist,
um die Verbindungen zwischen Flächen-Verkleidungsmodulen
bzw. den Prozessoren des Textilnetzwerks und die in dem Netzwerk
vorhandenen und funktionsfähigen
Module darzustellen.
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Die
Aufnahmeplätze 120 dienen
zum Anschließen
von Sensoren und Aktoren. Die Aufnahmeplätze 120 sind monolithisch
oder hybrid mit verschiedenen Sensoren und Aktoren bestückt. Eine
hybride Bestückung
bedeutet in diesem Zusammenhang eine Bestückung sowohl mit diskreten
Bauelementen, die mittels z.B. Drähte angeschlossen werden, als
auch mit monolithisch integrierten Bauelementen. Prinzipiell können alle
bekannten Sensoren und Aktoren an Aufnahmeplätzen 120 an das Prozessorelement 100 angeschlossen
werden, solange ihre Größe und Bauart
für die
vorgesehene Anwendung geeignet ist. Die zu verwendenden Sensoren und
Aktoren werden entsprechend der vorgesehenen Anwendung ausgewählt.
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Die
unterschiedlichen Prozessorelemente 100 in dem Netzwerk
können
eine unterschiedliche Kombination von Sensoren und Aktoren aufweisen, d.h.
die Prozessorelemente 100 können inhomogen bestückt sein.
Insbesondere können
die Prozessorelemente 100 in vorgegebenen Bereichen des
Teppichs nur Sensoren aufweisen, während die Prozessorelemente 100 in
anderen Bereichen des Teppichs nur Anzeigeelemente aufweisen. Je
nach Anwendung sind auch andere Anordnungen von Sensoren und Aktoren
auf den Prozessorelementen 100, z.B. eine Kombination von
Sensoren und Aktoren möglich.
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Als
Sensoren kommen insbesondere Sensoren zur Messung und Detektion
der Temperatur, des Drucks und insbesondere des Gewichts, der Konzentration
von Rauch und anderen Gasen, von Licht und Schall usw. in Betracht.
Als Aktoren können
zum Beispiel lichtemittierende Dioden und andere geeignete Anzeigeelemente,
und Vorrichtungen zur Ausgabe von Signaltönen dienen. Insbesondere kann
das Prozessorelement 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit unterschiedlichen Sensoren und Aktoren in beliebiger Kombination
bestückt
werden.
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Während der
Initialisierungsphase des Netzwerks fragt der Prozessor 110 die
auf seinem Prozessorelement 100 vorhandenen Aufnahmeplätze 120 ab
und stellt somit fest, auf welchen Aufnahmeplätzen 120 ein Sensor
bzw. Aktor angeschlossen ist, und um welche Art es sich dabei handelt.
Die gewonnenen Informationen gibt der Prozessor 110 an
den Steuerrechner aus.
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Insbesondere
kann an den Prozessor 110 eine Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit 115 angeschlossen
sein, die zum Ermitteln, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einem
bestimmten Aufnahmeplatz 120 angeschlossen ist, eingerichtet
ist. Während
der Initialisierung des Prozessorelements 100 prüft die Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit 115 für jeden
auf dem Prozessorelement 100 vorhandenen Aufnahmeplätze 120,
ob darin ein Sensor bzw. ein Aktor angeschlossen ist. Ferner kann
die Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit 115 eingerichtet sein,
um insbesondere den Sensortyp bzw. den Aktortyp eines an einem Aufnahmeplatz 120 detektierten
Sensors bzw. Aktors festzustellen. Die von der Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit 115 festgestellten
Daten werden mittels des Prozessors 110 an den Steuerrechner 20 übertragen.
Der Steuerrechner 20 kann dementsprechend zum Anzeigen
der übertragenen
Daten eingerichtet sein.
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Der
Steuerrechner 20 empfängt
die von jedem Prozessor 110 während der Initialisierungsphase
festgestellten Informationen über
vorhandene Sensoren und Aktoren und gibt die gefundenen Funktionalitäten der
Prozessorelemente 100 aus. Der Steuerrechner kann außerdem eine
Bewegungserfassungseinheit 25 aufweisen, so dass es möglich wird,
die Bewegung eines Objekts wie beispielsweise eines Menschen oder
einer Maschine, in einem Raum zu überwachen. Dazu erfasst die
Bewegungserfassungseinheit 25 die von den Prozessorelementen 100 an
den Steuerrechner 20 übertragenen
Daten von zum Beispiel Drucksensoren auf dem Boden, wodurch der
Weg dieses Objekts nachvollzogen werden kann.
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Ein
Benutzer kann mittels des Steuerrechners 20 auf alle Prozessorelemente 100 zugreifen und
die Sensoren und Aktoren jedes Prozessorelements 100 je
nach Bedarf und Anwendungsgebiet aktivieren bzw. deaktivieren. Insbesondere
können alle
vorhandenen oder nur einzelne benötigte Funktionalitäten verschiedenen
physikalischen Bereichen der aktiven Netzwerkfläche, d.h. der Textilie, zugeordnet
werden.
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Das
heißt,
es kann bestimmt werden, dass in einem Bereich der aktiven Netzwerkfläche nur
Drucksensoren aktiv sind, in einem anderen Bereich nur Leuchtdioden
aktiv sind und in einem dritten Bereich sowohl Leuchtdioden als
auch Drucksensoren aktiv sind.
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Da
jedes Prozessorelement 100 seine vorhandenen Funktionalitäten während der
Initialisierung prüft
und jedes Prozessorelement 100 einschließlich der
damit verbundenen Sensoren und Aktoren von einem Steuerrechner gesteuert
werden kann, reicht es aus, wenn Sensoren und Aktoren, die eine
besondere Funktionalität
zur Verfügung
stellen, nur auf den Prozessorelementen 100 angeordnet werden,
auf denen sie benötigt
werden. Dadurch können
unnötige
Kosten für
einen solchen Teppich vermieden werden, da nicht jedes Prozessorelement 100 in
dem Teppich sämtliche
Sensoren und Aktoren aufweist, die an irgendeiner Stelle in dem
Teppich verwendet werden. Aus dem gleichen Grund wird auch der Datenaustausch
zwischen den Prozessorelementen 100 auf ein Minimum reduziert,
wenn jedes Prozessorelement 100 nur diejenigen Funktionalitäten aufweist,
die bei dem jeweiligen Prozessorelement 100 notwendig sind.
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Mittels
der unterschiedlichen Bestückung
der Prozessorelemente 100 in flächenhaften Textilien, wie dem
beschriebenen Teppich, kann man daher aktive Funktionalitäten, wie
zum Beispiel Anzeigen, und interaktive Funktionalitäten, wie
zum Beispiel Sensorfelder, verwirklichen.
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Für solche
Textilien sind vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten
denkbar. Beispiele sind die Einbruchssicherung, Brandmeldung, intelligente
Personenleitsysteme im Teppich, in Wandverkleidungen und in Zeltplanen,
sowie die Detektion von Rissen in Textilbeton, Steuerung des Verkehrsflusses
und allgemein die Fahrzeug-Navigation. Ferner sind solche Textilien
bzw. Flächen-Verkleidungselemente
zur Verfolgung von Personen in einem Raum (Tracking) geeignet.
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Besondere
Vorteile ergeben sich daraus, dass die Bestückung der Prozessorelemente 100 inhomogen
sein kann. Das hat ferner den Vorteil, dass Sensoren und/oder Aktoren,
die teilweise teuer sind, nur dort in dem Netzwerk angeordnet sind,
wo sie benötigt
werden, was die Kosten dieses Netzwerks senkt.
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4A zeigt
eine detaillierte Ansicht einer Mehrzahl von Prozessorelementen
in verschiedenen Konfigurationen gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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4A stellt
also eine Kombination der 1 und 2 dar,
wobei die einzelnen Prozessorelemente mittels jeweils vier elektrisch
leitfähiger Verbindungen
miteinander verbunden sind. Die Prozessorelemente sind in Matrixform
in 3 Reihen zu jeweils 4 Prozessorelementen angeordnet.
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Aus 4A kann
erkannt werden, dass unterschiedliche Prozessorelemente 100 unterschiedlich
mit Sensoren und Aktoren bestückt
sind. Beispielsweise weisen die Prozessorelemente 100 in der
mittleren Reihe jeweils eine grüne
LED 160 und eine rote LED 161 auf, während jedes
Prozessorelement 100 der unteren Reihe einen Temperatursensor 150 aufweist
und das rechts unten dargestellte Prozessorelement 100 zusätzlich ein
Mikrophon 140 aufweist.
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In 4A ist
daher ein Netzwerk mit erfindungsgemäßen inhomogen bestückten Modulen
dargestellt. In einer Applikation im Steuerrechner (nicht dargestellt)
werden die gefundenen Funktionalitäten der integrierten Module
sichtbar gemacht und stehen dem Benutzer zur freien Auswahl zur
Verfügung.
Die Applikation kann so gewählt
werden, dass alle vorhandenen oder nur einzelne benötigte Funktionalitäten den
verschiedenen physikalischen Bereichen in der aktiven Netzwerkfläche zugeordnet
werden.
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Die
in 4A dargestellte Anordnung von Prozessorelementen 100 und
die Bestückung
derselben kann natürlich
nur beispielhaft sein, wobei es einem Anwender dieser Erfindung überlassen
bleibt, die für
seine Anwendung geeignetste Anordnung und Bestückung von Prozessorelementen 100 zu
verwirklichen.
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4B zeigt
die Anordnung von Prozessorelementen gemäß 4A, wobei
verschiedene definierte Bereiche in dieser Anordnung dargestellt
sind.
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4B dient
zum Verdeutlichen der räumlichen
Anordnung der unterschiedlich bestückten Prozessorelemente, die
in 4A dargestellt ist. Wie durch verschiedene Rahmen
dargestellt ist, sind Prozessorelemente mit einer speziellen Bestückung mit Sensoren
bzw. Aktoren in vorgegebenen Bereichen des Teppichs angeordnet.
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Der
durch eine Strich-Punkt-Linie begrenzte Bereich 200, der
den gesamten in 4B gezeigten Bereich des Teppichs
umfasst, weist Prozessorelemente mit einem Drucksensor auf, z.B.
einem Berührungssensor.
Ferner ist ein Bereich 210 mittels einer gestrichelten
Linie dargestellt, worin die Prozessorelemente Aktoren für eine Anzeigefunktion
aufweisen. Die Aktoren sind in diesem Fall rote und grüne LEDs. Wie
aus 4B erkennbar ist, überschneidet sich der Bereich 200 mit
Prozessorelementen, die Berührungssensoren
aufweisen, mit dem Bereich 210 mit Prozessorelementen,
die LEDs aufweisen. Die Prozessorelemente in dem Bereich 210 mit
einer Anzeigefunktion weisen daher auch jeweils einen Berührungssensor
auf, da dieser Bereich auch in dem Bereich 200 mit Berührungssensoren
liegt. Ein dritter Bereich 220 in 4B weist
Prozessorelemente auf, an die Temperatursensoren angeschlossen sind. Dieser
Bereich überschneidet
sich mit dem Bereich 200 mit Prozessorelementen mit Berührungssensoren,
aber nicht mit dem Bereich 210 mit Anzeigefunktion, so
dass die Prozessorelemente in dem dritten Bereich 220 jeweils
einen Berührungssensor
und einen Temperatursensor aufweisen, aber keine LEDs. Ein Prozessorelement
im Bereich 220 mit Temperatursensoren ist das einzige Prozessorelement
in einem Bereich 230 zur Geräuschmessung und weist zusätzlich einen
Sensor für
Geräuschmessung
auf.
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5A bis 5C zeigen
ein Verfahren zum Aufbringen eines Prozessorelements auf einer Textilie.
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Das
Integrieren von einem Mikroelektronikmodul in ein textiles Gewebe
mit leitfähigen
und nicht leitfähigen
Fasern ist in den 5A bis 5C dargestellt.
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5A zeigt
einen Ausschnitt aus dem Gewebe nach dem Weben, in dem sich leitfähige Fasern 301 und
nicht leitfähige
Fasern 302 kreuzen. Die leitfähigen Fasern 301 sind
hierin als durchgezogene Linien dargestellt und die nicht leitfähigen Fasern 302 sind
als gestrichelte Linien dargestellt.
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In 5B wurden
die Leitungskreuzungen der leitfähigen
Fasern durch Ausschneiden entfernt.
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Anschließend wird
das Mikroelektronikmodul mit den Anschlusskontakten zu den leitfähigen Fasern
justiert, das heißt
ein Prozessorelement 100 in dem Ausschnitt der Kreuzungspunkte
wird so eingerichtet, dass die Anschlusskontakte den leitfähigen Fasern 301 entsprechen.
Dann wird ein Klebstoff aufgetragen, der bereits bei Raumtemperatur
Klebeeigenschaften hat, so dass ein Verrutschen verhindert wird.
Die Kontaktbereiche werden mittels einer Thermode mit Temperatur
und Wärme
beaufschlagt, so dass der Klebstoff fest wird und im Kontaktbereich leitfähige Verbindungen
zwischen den Anschlusskontakten und den leitfähigen Fasern 301 entstehen.
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5C zeigt
den Endzustand, indem das Prozessorelement 100 in dem Kreuzungsbereich
der leitfähigen
Fasern 401 und nicht leitfähigen Fasern 402 angeordnet
und justiert ist, und mittels eines Klebstoffes fest mit der Textilie
und den Fasern verbunden ist.
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In
diesem Dokument ist die folgende Veröffentlichung zitiert:
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- 10
- Textilie
- 20
- Steuerrechner
- 25
- Bewegungserfassungseinheit
- 30
- Verbindungsleitung
- 100
- Prozessorelement
- 110
- Prozessor
- 115
- Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit
- 120
- Aufnahmeplatz
- 130
- Anschlusskontakt
- 140
- Mikrophon
- 150
- Temperatursensor
- 160
- grüne LED
- 161
- rote
LED
- 170
- Berührungssensor
- 200
- Bereich
mit Berührungssensoren
- 210
- Bereich
mit Anzeigefunktion
- 220
- Bereich
mit Temperatursensoren
- 230
- Bereich
mit Geräuschmessung
- 301
- leitfähige Faser
- 302
- nicht
leitfähige
Faser
- S210
- Schritt
des sequenziellen Prüfens
der Aufnahmeplätze
- S220
- Schritt
des Sendens einer Nachricht an einen Steuerrechner
- S230
- Schritt
des Anzeigens der detektierten Funktionalitäten