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1. Problemstellung und aktueller
Stand der Technik
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Viele
Prozesse in der Biologie werden durch klimatische Parameter (Licht,
Niederschlag, Luftfeuchtigkeit usw.) gesteuert, die regional und
biotopabhängig unterschiedlich sind. Will man Tiere oder
Pflanzen aus bestimmten Regionen möglichst artgerecht halten,
spielen die o. g. Parameter eine zentrale Rolle für Wohlbefinden
und Fortpflanzung der Flora und Fauna. Eine besondere Rolle spielt
dabei das Licht bei der Synchronisation dieser Prozesse.
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Die
Anforderungen, die sich daraus für eine ZSU ergeben, sind
eine möglichst naturnahe Simulation alle genannten Paramenter.
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Bei
der Recherche wurden folgende ZSU gefunden:
- a)
Steuerung von Licht/Temperatur
• „Theben
SEC 170 Top” oder die „Suevia Astro Log”:
Astronomische ZSU für die Montage auf Hutschienensystemen.
Diese ZSU sind konzipiert worden, um -abhängig von astronomischen
Daten-Schaufensterbeleuchtungen oder -rolläden zu steuern.
Diese ZSU sind jedoch in ihrer Nutzung eingeschränkt, da
ihnen eine Dimmfunktion fehlt. Die Programmierung erfolgt am Gerät
selbst, was teure Displays und Bedienelemente erforderlich macht.
• Offenlegungsschrift DE 19705288 A1 :
Der Vorteil dieser dimmbaren ZSU ist eine reale Simulation der Sonnenaufgangs-,
untergangs- sowie Mondscheinphasen (Lichtdauer und -intensität). Die
Eingabe der Daten erfolgt manuell an der ZSU selbst. Der daraus
resultierende Nachteil ist, dass die gesamte Steuerung durch das
Gerät selbst erfolgt. Somit ist die ZSU erstens sehr kompliziert und
teuer in ihrer Konstuktion und zweitens nur für den Bereich – Licht-
bzw. Temperatursteuerung – einsetzbar.
- b) Steuerung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• „Lucky
reptile thermo control II/bzw. Pro II”: Dieses Produkt
ist ein digitaler Thermostat. Über eine zusätzliche
Kupplung wird eine integrierte Timer Funktion gesteuert, mit der
z. B. die Betriebszeiten für Beleuchtung oder Lüfter
eingestellt werden können. Der Sensor eignet sich für
Messungen in Luft und Wasser und ist über ein Kabel mit
dem Thermostat verbunden. Es wird jedoch nur ein eingeschränkter
tageszeitlicher Verlauf simuliert (Tag/Nacht), ein jahreszeitlicher
Verlauf kann mit dem Gerät überhaupt nicht simuliert
werden.
• „Lucky reptile humidity control
II”: s. o., jedoch mit dem Parameter Luftfeuchtigkeit.
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Bei
allen dargestellten ZSU ist zentrales Merkmal, dass die Soft- mit
der Hardware in der ZSU aneinander gekoppelt sind und somit:
- • die unterschiedlichen Schaltungen
immer durch die Kapazitäten des Rechenchip eingeschränkt sind
und damit
- • die Anwendungsbereiche der beschriebenen ZSU deutlich
limitiert sind mit der Konsequenz, dass nicht alle relevanten Klimaparamter über eine
ZSU gesteuert werden können und
- • die Konzeption und Programmierung sehr aufwendig,
teuer und wenig anwenderfreundlich sind, da sie immer selbst am
Gerät erfolgt.
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Mit
dem aktuellen technischen Stand sind für ein ganzheitliches
Klimamanagement daher mehrere voneinander unabhängig gesteuerte
ZSU notwendig. Darüber hinaus sind ebenfalls nur eingeschränkte
tagezeit- bzw. jahreszeitabhängige Variationen möglich.
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2. Lösung
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Die
hier beschriebene ZSU hat einen komplett anderen Ansatz zur technischen
Lösung der dargestellten Problematik.
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Für
die hier vorgestellte Innovation gelten diese o. g. Nachteile nicht.
Die neue ZSU trennt die „Hardware” bzw. Technik
der ZSU konsequent von der Software (Steuerung). Die komplette Rechenleistung
wird von einem Computer übernommen, somit kann die ZSU
auf die notwendigsten Bauteile reduziert werden, was sie außerordentlich
kostengünstig macht. Es werden am Ende nur die An- und
Ausschaltzeiten bzw. im Bedarfsfall mehrere Dimmstufen auf den Speicherchip
der ZSU gespeichert und der elektische Verbraucher gesteuert. Durch
Verlagerung der Berechnungsfunktion auf einen externen Computer
sind alle nur erdenklichen und programmierbaren Schaltzeiten möglich.
Die ZSU führt nur die auf ihren Speicherchip gespeicherten
An- und Ausschaltzeiten aus. Die Möglichkeiten der ZSU
sind also nur durch die Kapazität des Speicherchip begrenzt
sowie den Einfallsreichtum des Softwareprogrammierers.
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3. Grundfunktionen
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a) Technische Anforderungen
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Zeichnung 1
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Die
technisch notwendigen Bestandteile der ZSU beschränken
sich auf:
- • Einen Speicherchip
- • Ein Controller mit sekundengenauer interner Referenzuhr
- • Ein Schaltrelais
- • Computer-Anschlussmöglichkeiten (z. B. USB, WLAN,
com2, etc.)
- • Gehäuse für Steckdose oder 35 mm
Profilschiene (wahlweise)
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b) Beschreibung der Grundfunktionen
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Die
Schaltzeiten werden über ein Computerprogramm (spezielle
Software) nach definierten Anforderungen errechnet.
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Über
eine Verbindung zwischen PC und ZSU (ZSU) werden auf den Speicherchip
der ZSU nur die Befehle ,An' und ,Aus' zu den ermittelten Schaltzeiten übertragen.
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Der
Speicherchip, der mit der internen Referenzuhr (die erstmalig vom
Anwender über den PC manuell eingestellt werden muss) ausgestattet
ist, erteilt über den Controller den sekundengenauen Befehl
,An' und ,Aus' an das Schaltrelais, sobald die definierten Schaltzeiten
eintreffen.
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Anwendungsbereich (Beispiel):
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Eine
Terrarienbeleuchtung soll abhängig von der geographischen
Lage, aus denen das gehaltene Tier stammt, über einen jahreszeitlichen
Verlauf mit den dort herrschenden Sonnenaufgangs- und -untergangszeiten
beleuchtet werden.
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Die
Sonnenaufgangs- und -untergangszeiten über das gesamte
Jahr werden von dem Anwender über die Software ermittelt
und einmalig mithilfe einer z. B. USB-Verbindung auf die ZSU übertragen.
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4. Erweiterte Funktionen
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4.1 ZSU als separate Funktionseinheit
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a) Technische Anforderungen
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Zeichnung 2
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- • An- und Ausschalter
- • LED-Leuchte/Display
- • Speicherbatterie für Gangreserve (bei Stromausfall)
- • Dimmer
- • Controller
- • Kabelsensoren für Temperatur bzw. Luftfeuchtigkeit
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b) Beschreibung der Funktionen
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- • Die ZSU kann über einen
Ein- und Ausschalter manuell ein- bzw. ausgeschaltet werden, d.
h. der Stromkreis zum Verbraucher wird unterbrochen, jedoch läuft
die ZSU weiter.
- • LED Leuchte zeigt den Status der ZSU an. Die grüne
LED-Leuchte brennt, wenn alle Funktionen ordnungsgemäß laufen.
Die rote LED-Leuchte leuchtet auf, wenn
a) die ZSU ausgeschaltet
ist aber gleichzeitig am Stromkreis angeschlossen ist
b) die
Speicherbatterie leer oder funktionsuntüchtig ist (im Stromkreislauf
angeschlossen)
c) der Speicherchip nicht funktionstüchtig
ist. (Alle Informationen können wahlweise auch über
ein Display angezeigt werden)
- • Bei Stromausfall läuft die ZSU über
die Speicherbatterie weiter und gespeicherte Schaltzeiten gehen
nicht verloren.
- • Über den Dimmer kann die Intensität
des Verbrauchers gesteuert werden (z. B. Lichtintensität).
- • Der Sensor erfasst die aktuelle Temperatur bzw. Luftfeuchtigkeit.
Dieser ist mit einem Controller verbunden, der die ermittelten Daten
mit den auf dem Speicherchip gespeicherten Soll-Werten abgleicht.
Bei ermittelten Abweichungen wird über den Dimmer die angestrebte
Soll-Temperatur geregelt.
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Anwendungsbeispiell
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In
oben beschriebenem Beispiel zur Grundfunktion der ZSU ist es nur
möglich, das Licht eines Terrariums abhängig von
der geographischen Lage im jahreszeitlichen Verlauf zur Sonnenaufgangszeit ,an'
und zu Sonnenuntergangszeit ,aus' zu schalten.
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Durch
die erweiterten Funktionen lassen sich nun weitere Klimaparameter
steuern. Durch die Dimmbarkeit der ZSU kann ein tageszeitlicher
Rhythmus, der sich gleichzeitig dem jahrezeitlichen Verlauf verändert,
simuliert werden. Eine Randomisierung des tageszeitlichen Verlaufs
ist damit theoretisch auch realisierbar.
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4.2 ZSU als Bestandteil eines modularen
Mehrfachstecksystems
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Zeichnung 3
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Um
die o. g. ZSU sinnvoll nutzen zu können, ist eine Integration
in ein Mehrfachsteckersystem sinnvoll. Jeder Steckplatz sollte dabei
separat von der ZSU angesteuert werden können. So lassen
sich die individuell benötigten Klimaparameter: z. B. Beleuchtungsdauer,
-intensität und Luftfeuchtigkeit von einer ZSU und Steckleiste
steuern. Durch die Gebrauchsmusterschrift
DE 202 20 585 U1 ist diese Idee
bereits realisiert. Der Nachteil besteht darin, dass die Anzahl
der Steckplätze festgelegt ist und somit nicht an eine
individuelle Nutzung angepasst werden kann. Es wird daher ein modulares
Mehrfachsteckersystem vorgeschlagen, d. h. es können zusätzlich
mehrere Steckplätze modular an eine ZSU ab- oder angesteckt
werden.
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5. Anwendungsbeispiele
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5.1 Klimamanagement für Terrarien
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- 1. Der Steckplatz: Eine Neonröhre
wird zur Beleuchtung des Terrariums – abhängig
von der geographischen Herkunft des gehaltenen Tieres – morgens
an- und abends abgeschaltet bzw. gedimmt. Die jeweilige Leuchtdauer
(= Tagelänge) wird jahreszeitabhängig simuliert.
- 2. Steckplatz: Eine Halogenbirne wird sowohl als Licht- als
auch als Wärmestrahler zur gleichen Zeit wie die Neonröhre
eingeschaltet, jedoch wird die Strahlungsintensität über
den in der ZSU befindlichen Dimmer über mehrere Stufen
erhöht und in den Abendstunden wieder stufenweise heruntergefahren.
Hiermit kann ein tageszeitlicher Verlauf simuliert werden. Dabei
können sogar die Veränderungen in der Strahlungszunahme
und -intensität im jahreszeitlichen Verlauf berücksichtigt
werden. Über den Sensor wird die aktuelle Temperatur mit
der definierten Soll-Temperatur abgeglichen und bei Abweichung über
den Dimmer nachgeregelt. Über die Software sind auch zufallsgenerierte
Ereignisse oder quasi natürliche Schwankungen in der tageszeitlichen
Steuerung denkbar.
- 3. Steckplatz: Die Beregungsanlage kann sekundengenau in ihrer
Dauer angeschaltet werden, wobei jahreszeitabhängig auch
hier wieder Trocken- und Regenzeiten bzw. deren Verlauf programmiert
werden können. Im Extrem sind Trockenzeiten über
Monate und sogar Jahre programmierbar.
- 4. Steckplatz: Nachts simuliert eine schwache LED-Lampe die
Mondphasen und die damit verbundene variierende Strahlungsintensität
des Mondes.
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Ad 4.2
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Handelt
es sich um ein modulares System, kann die Anzahl der Steckplätze
bedarfsorientiert angepasst werden. Man könnte z. B. über
den 5. Steckplatz einen Fütterungsautomat ansteuern, der
nur während der Abwesenheiten des Anwenders eingesetzt
wird.
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5.2 Weitere Anwendungsfelder
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Den
Anwendungsmöglichkeiten dieser ZSU sind theoretisch keine
Grenzen gesetzt. Die ZSU bzw. der Speicherchip muss alleinig die
technischen Voraussetzungen mitbringen, um die intelligente Software
umzusetzen.
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Weitere
Anwendungsbereiche:
Security Management (Steuerung von Licht,
Rolladen, Tresors über Zufallsgenerator)
- • Steuerung
elektronischer Geräte sowie industrieller Geräte/Maschinen
- • Zeitgleiche Übertragung real herrschender
Klimaparameter auf ZSU (via Funk, Internet etc.)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19705288
A1 [0003]
- - DE 20220585 U1 [0016]