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Die Erfindung betrifft ein Prozessorelement, ein Verfahren zum Initialisieren einer Prozessor-Anordnung 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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In [2] ist ein elektronisches Gerät beschrieben mit einer universellen Schnittstelle zwischen einer Mehrzahl von unterschiedlichen Sensoren und einem Erfass- und Verarbeitungs-System zum Erfassen bzw. Verarbeiten von den Sensoren ausgehender Signale. Das elektronische Gerät weist eine Mehrzahl von identischen standardisierten Anschlüssen auf, wobei die Sensoren mit den Anschlüssen gekoppelt werden können, und wobei weiterhin die Anwesenheit eines mit einem Anschluss des elektronischen Geräts gekoppelten Sensors mittels einer Identifizierungs-Vorrichtung erkannt werden kann.
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In [3] ist ein Verfahren offenbart, bei dem mittels Widerstandsmessungen angehende Risse oder Spannungen in Oberflächen erkannt werden können.
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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 einer Prozessoranordnung 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 ist ein Prozessorelement in einer Prozessoranordnung wie unten beschrieben.
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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. Die Prozessor-Anordnung weist eine Steuereinheit zum Empfangen von Informationen von den Prozessorelementen und zum Senden von Informationen zu den Prozessorelementen auf. Jedes Prozessorelement ist eingerichtet derart, dass es während einer Initialisierungsphase aufgrund einer empfangenen zusätzlichen Abfrage nach vorhandenen Sensoren und/oder Aktoren, mit denen das jeweilige Prozessorelement bestückt ist, eine Meldung der mittels der Sensor/Aktor-Ermittlungseinheit identifizierten Sensoren und/oder Aktoren an die Steuereinheit sendet.
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In einem Verfahren zum Initialisieren einer Prozessor-Anordnung werden von jedem Prozessorelement der Prozessor-Anordnung folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
von der Prozessoreinheit wird der Abstand des Prozessorelements von der Referenzposition unter Austausch von Nachrichten mit dem Prozessorelement benachbarten Prozessorelementen ermittelt; von der Prozessoreinheit wird ermittelt, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz angeschlossen ist. Ferner wird von der Prozessoreinheit der Abstand und eine Angabe, ob ein Sensor und/oder ein Aktor an einen Aufnahmeplatz angeschlossen ist, an eine Steuereinheit gesendet, derart, dass von der Prozessoreinheit während der Initialisierungsphase aufgrund einer empfangenen zusätzlichen Abfrage nach vorhandenen Sensoren und/oder Aktoren, mit denen das jeweilige Prozessorelement bestückt ist, eine Meldung der identifizierten Sensoren und/oder Aktoren an die Steuereinheit gesendet wird.
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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 warmer 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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Die Prozessor-Anordnung weist 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 Sensor(en) 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 sind die folgenden Veröffentlichungen zitiert:
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Bezugszeichenliste
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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
