DE102012107412A1 - Aktivitätssensorik, Boden- oder Wandaufbauherstellungsverfahren sowie Aktivitätsauswerteverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktivitätssensorik mit einer Sensor- / Aktoranordnung für die Erkennung von Anwesenheit und/oder Aktivität/Inaktivität von Lebewesen, insbesondere Menschen, in zu überwachenden Räumlichkeiten auf Basis einer kapazitiven Sensorik mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Sensoren (1, 1’), einem oder mehreren Aktoren (6), einer Auswerteeinheit (4), wobei die Sensoren (1, 1’) mittels der Auswerteeinheit (4) in Form einer kapazitiven Sensorik verschaltet und die Aktoren (6) auf Grundlage eines detektierten Ereignisses von der Auswerteeinheit (4) ansteuerbar sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bodens oder eines Wandaufbaus mit einer erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik sowie ein Aktivitätsauswerteverfahren für eine erfindungsgemäße Aktivitätssensorik zur Auswertung der detektierten Aktivität, wobei die einzelnen Sensoren (1, 1’) zeitlich unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Aktivitätssensorik mit einer Sensor- / Aktoranordnung für die Erkennung von Anwesenheit und/oder Aktivität/Inaktivität von Lebewesen, insbesondere Menschen, in zu überwachenden Räumlichkeiten auf Basis einer kapazitiven Sensorik mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Sensoren, einem oder mehreren Aktoren, einer Auswerteeinheit, wobei die Sensoren mittels der Auswerteeinheit in Form einer kapazitiven Sensorik verschaltet und die Aktoren auf Grundlage eines detektierten Ereignisses von der Auswerteeinheit ansteuerbar sind.
• Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bodenaufbaus oder eines Wandaufbaus mit einer erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik sowie ein Aktivitätsauswerteverfahren für eine erfindungsgemäße Aktivitätssensorik zur Auswertung der detektierten Aktivität, wobei die einzelnen Sensoren zeitlich unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
• Die gesellschaftliche Entwicklung durch den demographischen Wandel erfordert für den immer größer werdenden Anteil der älteren Menschen an der Gesamtbevölkerung die Entwicklung von vielfältigen Wohnformen für das Wohnen im Alter. Zu den bevorzugten Wohnformen gehören diejenigen, die eine selbstständige Lebensführung in der eigenen Wohnung ermöglichen und unterstützen. Insbesondere zählt hierzu das „Betreute Wohnen“. Die Akzeptanz solcher Wohnformen kann durch die Erhöhung der Sicherheit erheblich verbessert werden. Dazu zählen die Versorgungssicherheit für die pflegerische und hauswirtschaftliche Versorgung und die Sicherheit für Notfälle, die bisher eher den Pflegeheimen zugeschrieben wird bzw. durch die Installation eines Hausnotruf-Systems auch in der eigenen Wohnung ermöglicht wird.
• Weitere Einsatzbereiche sind neben der Ausstattung von Wohnungen und Betreutem Wohnen auch stationäre Pflegeeinrichtungen, wie Pflegeheime, Krankenhäuser oder auch Beherbergungsbetriebe.
• Ein intelligentes Unterstützungssystem unterstützt ältere oder eingeschränkte Menschen im täglichen Leben und bietet so die Möglichkeit selbständig und unabhängig in ihrem eigenen Zuhause zu leben. Die unterstützende Technik soll hierbei im Alltag nicht erkennbar sein. In diesem Zusammenhang können mögliche Assistenzsysteme sein:
• – Assistenzsysteme für Gesundheitsschutz (Sturzerkennung, Notrufauslösung und dgl.)
• – Assistenzsysteme für Komfortsteuerung Gebäudeautomation (Licht, Lüftung, Notbeleuchtung, etc.)
• – Assistenzsysteme für Grundfunktionen Haustechnik (Bereitstellung Warmwas ser, WC-Spülung, u.a.).
• – Assistenzsysteme für erweiterte Funktionen (Alarm, Einbruch, Gefahr durch Wassereinbruch).
• Ferner erfordert der Klimawandel Systeme zur Reduzierung des Energieverbrauchs, wobei insbesondere die Aspekte der Energiereduktion für die Warmwasserbereitung im Vordergrund stehen werden. Zukünftige Gebäude werden keinen nennenswerten Heizenergieverbrauch mehr aufweisen, wohingegen jedoch der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung unverändert hoch bleiben wird. Die Assistenzsysteme können zur Senkung des Energieverbrauchs beitragen.
• Kapazitive Sensoren arbeiten auf Basis einer Kapazitätsänderung, die durch Beeinflussung des Sensors mittels Störung des elektrischen Feldes in der Umgebung der Sensorelektrode (aktive Zone) erfolgt. Im Stand der Technik wird die Kapazität zwischen der aktiven Sensorelektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Durch die Annäherung bzw. Anwesendheit eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes, insbesondere eines Menschen an die aktive Zone des Sensors wird die Kapazität des Sensors vergrößert.
• Aus der Druckschrift DE 10 2006 027 213 A1 ist eine Textilschicht-Anordnung bekannt, wobei hier eine Sensoranordnung in einem textilen Gewebe offenbart wird, das mittels einer in dem Gewebe angeordneten Funkmodul ausgebildete Sensorfelder kapazitiv auswerten kann und die Ergebnisse per Funk an eine Steuer- und Auswerteeinheit übermittelt, wobei diese Anordnung zur Erkennung von Personenaktivitäten verwendet wird.
• Weiter ist aus der Druckschrift DE 40 36 475 A1 eine Sensoranordnung entnehmbar, wobei hierbei die Sensoren in einer flächenhaften Konfiguration alternierend entgegengesetzt polbar angeordnet sind und als kapazitive Sensorik verwendet werden.
• Im Weiteren ist aus der Druckschrift DE 10 2007 001 225 A1 ein Flächenverkleidungselement bekannt, bei dem auf einem elektrisch nicht-leitfähigen Material Sensoren aufgebracht sind, die über eine ebenfalls integrierte Schaltung verfügt, wodurch eine Unterkonstruktion eines intelligenten Bodens realisiert wird und der Boden über kapazitive Sensoren verfügt.
• Problematisch an den bisher im Stand der Technik bekannten Anordnungen zur Aktivitätssensorik sind deren Schwachpunkte in Bezug auf Einbau, Komplexität der Gesamtanordnung, Anfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen und letztendlich die sehr hohen Kosten, resultierend aus den komplexen Sensoranordnungen.
• Gerade in der heutigen Zeit sind jedoch der einfache Einbau und die insgesamt geringen Investitionskosten von besonderer Bedeutung. Ebenso soll der nachträgliche Einbau derartiger Aktivitätssensorikanordnungen gewährleistet sein. In der Sanierung von Wohngebäuden werden oftmals alte Bodenbelege ausgetauscht, indem lediglich die oberste Schicht, beispielsweise Fliesen, entfernt wird.
• Ansatzweise wird versucht nachträglich Aktivitätssensorikanordnungen in die zu sanierenden Wohnungen einzubauen, was jedoch oftmals an dem komplizierten Einbau der derzeit verfügbaren Systeme scheitert. Da diese oftmals aufwendig eingearbeitet werden müssen, sind geübte Handwerker auf der Baustelle überfordert und können nicht ohne weitere Zusatzausbildung entsprechende im Stand der Technik bekannte komplexe Aktivitätsanordnungen einbauen.
• Weiter ist der Aspekt des einfachen Konzepts für den Neubau von besonderer Bedeutung, weshalb dort heutzutage immer noch auf Grund der sehr hohen Investitionskosten oder auch der Komplexität der Systeme auf eine Aktivitätssensorikanordnung verzichtet wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aktivitätssensorik, ein Boden- oder Wandaufbauherstellungsverfahren sowie ein Aktivitätsauswerteverfahren aufzuzeigen, die es ermöglicht, die hohen Anforderungen an Kosteneffizienz, geringen Einbauaufwand, Nachrüstbarkeit sowie Langlebigkeit als auch Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu erfüllen, wobei dies auf besonders einfache Weise erfolgen soll.
• Hierbei soll insbesondere auch die ohne großen Zeiteinsatz nachträgliche Nachrüstbarkeit von bereits bestehenden Wohnungen möglich sein. Insbesondere wird hierzu die Aufgabe aufgegriffen, ein kostengünstig herzustellendes sowie gleichzeitig leicht und kostengünstig einzubauendes Sensorsystem zu realisieren, wobei insbesondere die Montagekosten gering zu halten sind.
• Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Aktivitätssensorik mit einer Sensor- / Aktoranordnung für die Erkennung von Anwesenheit und/oder Aktivität/Inaktivität von Lebewesen, insbesondere Menschen, in zu überwachenden Räumlichkeiten auf Basis einer kapazitiven Sensorik nach Anspruch 1.
• Gelöst wird diese Aufgabe weiter durch ein Verfahren zur Herstellung eines Boden- oder eines Wandaufbaus mit einer Aktivitätssensorik nach Anspruch 5 oder 6 sowie einem Aktivitätsauswerteverfahren für eine Aktivitätssensorik nach Anspruch 7.
• Erfindungsgemäß sind die Sensoren geradlinig ausgestreckte, isolierte lineare Leiter, bevorzugt aus Kupfer, und sind gleich beabstandet parallel zueinander in oder unter einem Bauelement eines Raumes angeordnet, wobei die Leiter an einem Sensorcontroller angeschlossen sind und der Sensorcontroller an der Auswerteeinheit angeschlossen ist, wobei bevorzugt die Kommunikation zwischen dem Sensorcontroller und der Auswerteeinheit über einen Installationsbus, ein Bussystem, besonders bevorzugt einen I²C(Inter-Integrated Circuit)-Bus erfolgt.
• Als erfindungsgemäßer Leiter wird hier ein Leiter verstanden, der überall den gleichen Querschnitt aufweist und dessen Querschnittsabmessung wesentlich kleiner ist als die Länge des Leiters.
• Ein derartiger Leiter ist beispielsweise ein Kupferkabel mit einer Isolierung, wie dieser im Fachhandel in sehr großen Stückzahlen als Standardprodukt zur Verfügung steht. Hierbei sind unterschiedliche Querschnitte des Leiters möglich, beispielsweise Flachbandkabel und dgl., wobei jedoch ein runder Querschnitt von besonderer Bedeutung ist, da runde Drähte einfach und kostengünstig hergestellt werden können und gleichzeitig nur ein geringer Platzbedarf zur Unterbringung eines solchen Leiters notwendig ist.
• Die Sensoren können geometrisch eine lineare, flächige oder räumliche Ausdehnung annehmen. An einen Sensorcontroller oder auch Sensoranschlusseinheit sind typischerweise mehrere Sensoren angeschlossen.
• Die Materialkosten der Vorrichtung belaufen sich auf einen niedrigen dreistelligen Eurobetrag je Einbauort. Dadurch ist es möglich, in jedem Neubau ein solches System zu integrieren bzw. generell vorzusehen, um es später bei Bedarf einfach anzuschließen.
• Mit einer derartigen Sensoranordnung ist die Nutzung des Systems durch die Inbetriebnahme von Signaleinrichtungen, wie z.B. einem Hausalarm oder einem Hausnotruf-System und dgl. möglich. Die gleiche Anordnung kann ohne Änderungen auch für Komfortfunktionen der Haustechnik sowie zur Steigerung der Energieeffizienz bei der Wärmeversorgung eingesetzt werden, so dass eine sofortige Nutzung möglich ist. Die Installation der Anordnung ohne Nutzung der Sicherheitsfunktionen, wie Einbruchsalarm oder Gefahrenmeldung ist wirtschaftlich sinnvoll.
• Bereits mit einfachen Standardkabeln, beispielsweise ein einadriges Kupferkabel mit einem Querschnitt von 1,5 mm² mit einer einfachen Isolationsschicht auf dessen Außenseite ist ein Detektieren von Aktivitäten, hervorgerufen durch die Anwesenheit und Beeinflussung der Kapazität durch einen Menschen, möglich.
• Im Gegensatz zu bekannten Sensoranordnungen, bei denen die Sensorik unter den Bodenbelägen eingebaut wird, kann die erfindungsgemäße Sensorik auch in bestehende Bauteile wie beispielsweise Fliesenbeläge integriert werden, ohne diese erneuern zu müssen. Bekannte Sensoranordnungen erfordern dahingegen den vollflächigen Abriss bestehender Beläge.
• Im Neubaubereich können auch andere Bauteile wie Wandbeläge aus Putz oder Gipskartonplatten, Deckenbeläge, Bauelemente wie Türen oder Fenster, sowie Bekleidungen von Dächern, Decken und Wänden oder auch Möbel und Einrichtungsgegenstände, wie Spiegel, Tische, Stühle, Betten und dgl. mit der erfindungsgemäßen Aktivitätsanordnung ausgerüstet werden, um Aktivitäten detektieren zu können.
• Insbesondere bei der Überwachung von Wohn- und Anlagenkomplexen, Außenanlagen oder auch beispielsweise Dächern ist die erfindungsgemäße Aktivitätssensorik einsetzbar.
• Bevorzugt ist auch die Integration in Bauteile außerhalb der geschlossenen Wohnung, die üblicherweise der Bewitterung ausgesetzt sind, möglich. Hierzu zählen exemplarisch Balkone, Flure, Laubengänge, Vordächer oder Gartenwege.
• Es hat sich jedoch gezeigt, dass in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, wobei die Sensoren jeweils mindestens bzw. genau zwei geradlinig ausgestreckte, isolierte, lineare und parallel zueinander ausgerichtete Leiter mit einem runden Querschnitt, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3,0 mm², insbesondere 1,5 mm², sind und diese in einem gemeinsamen Anschlusspunkt am Ende der beiden Leiter miteinander und mit dem Sensorcontroller verbunden sind, eine deutlich verbesserte Messempfindlichkeit gegeben ist, wodurch die Sensoren deutlich tiefer unterhalb der endgültigen Boden oder Wandteil Oberfläche verlegt bzw. eingebaut werden können. Dies hat erhebliche Vorteile in Bezug auf den Einbauort innerhalb des Fußbodenaufbaus bzw. auf die Belagstärke der Deckschicht, beispielsweise Steinzeug, Parkett, Laminat oder dgl.
• Auswerteeinheiten können analoge und digitale Schaltungen und sonstige Recheneinheiten beinhalten, an die die Sensoren direkt oder über die Sensorcontroller angeschlossen werden können. Der Anschluss der Sensoren an die Auswertungseinheit kann elektrisch direkt, galvanisch getrennt oder mittels drahtloser Übertragungstechniken erfolgen. Werden die Sensoren in Badezimmer, WCs oder Küchen montiert, empfiehlt sich eine drahtlose Übertragung der Sensordaten zur Auswertungseinheit. Die Auswertungseinheit ermittelt die Kapazität der angeschlossenen Sensoren und ermittelt die Änderungen von Kapazitäten über die Zeit. An eine Auswertungseinheit sind typischerweise mehrere Sensoranschlusseinheiten angeschlossen. Auswertungseinheiten können mehrere angeschlossene Sensoren zusammenfassen und deren Gesamtkapazität ermitteln.
• Insbesondere können die Sensoren in einem Bauelement, besonders bevorzugt in den Fugen eines aus Fliesen bestehenden Fußbodenbelages eingebracht werden, wodurch diese sowohl im Neubau als auch bei der Modernisierung und Nachrüstung im Bestand auf einfachste Weise eingesetzt werden können. Selbst für schmale Fugen ist eine solche Sensoranordnung leicht einzubauen, so dass auch ungeübte Handwerker dieses erledigen können ohne zunächst auf teuren Lehrgängen geschult zu werden. Der Zeitaufwand für den Einbau ist durch die neuartige Sensoranordnung auf ein Minimum reduziert, da lediglich herkömmliche Leiter, die den Handwerkern aus dem Baugewerbe bekannt sind, verwendet werden.
• Weiter können die Sensoren aber auch eingewebt oder eingebettet werden, um große Flächen mit Hilfe von Gewebematten als flächige Ausführung der Sensorik, wie sie z.B. in der Putztechnik zur Rissüberbrückung und -sicherung angewendet werden, zu überziehen. Auch hierbei handelt es sich um baustellenübliches Material. Das Gewebematerial könnte in diesem Fall mit leitfähigen Garnen durchzogen sein.
• Eine andere mögliche Ausgestaltung der Erfindung ist die Integration einer räumlichen Sensorik in z.B. einen Türrahmen. Das kann entweder im Bestand in Form leitfähiger Türdichtungen erfolgen, wobei beispielsweise in ein Dichtungsprofil ein entsprechender Kupferdraht eingearbeitet wird und bevorzugt in den Dichtungsfuß angeordnet wird, oder bereits beim Hersteller in die Türbekleidung integriert werden. Ein möglicher Nutzen ist es, zu erkennen, ob eine Person durch die Tür einen Raum betritt (oder im Rollstuhl befährt) oder verlässt. Hier lässt sich die Sensorik z.B. zur Hausautomation einsetzen, indem beim Betreten oder Verlassen eines Raumes das Licht oder elektrische Geräte ein- bzw. ausgeschaltet werden.
• Als eine besondere Ausführungsform sind die Sensoren in einer unter einen Bodenbelag einzubauende Bahn, bevorzugt einer Entkopplungsbahn, besonders bevorzugt aus Polyethylen, eingebettet. Hierdurch kann sowohl im Neubau als auch bei der Installation im Bestand durch das Einbauen einer bekannten Entkopplungsbahn in einem Schritt gleichzeitig die Sensoren aufgebracht werden.
• Insbesondere umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Bodens oder eines Wandaufbaus mit einer erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik, wobei der Boden unbelegt, bzw. bedarfsweise durch Entfernen eines etwaig vorhandenen alten Belags, ist, die Schritte:
• a) Aufbringen der Sensoren auf die belegbare Oberfläche;
• b) Anschließen der einzelnen Sensoren und
• c) Aufbringen des Boden- oder Wandbelags.
• Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Fußboden- und/oder Wandaufbaus im Bestand mit einer erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik, wobei eine belegbare Oberfläche mit einem Fliesenbelag belegt ist, umfasst die Schritte:
• a) Entfernen des Fugenmörtels aus den verfugten Fugen zwischen den Fliesen;
• b) Einbringen der Sensoren in die offenen, nicht verfugten Fugen;
• c) Anschließen der einzelnen Sensoren und
• d) Verfugen der Sensor vorbereiteten Fugen mit Fugenmörtel.
• Das erfindungsgemäße Aktivitätsauswerteverfahren für eine erfindungsgemäße Aktivitätssensorik zur Auswertung der detektierten Aktivität, wobei die einzelnen Sensoren zeitlich unabhängig voneinander ansteuerbar sind, umfasst die kontinuierlich zu wiederholenden Schritte:
• – temporäres Erden der Sensoren zum Nullsetzen;
• – stetig ansteigendes Laden der Sensoren durch den Sensorcontroller mittels Gleichstrom in der Ladezeit bis zu einem Maximalwert zum Ende der Ladezeit;
• – Messen der Sensorspannung im Zeitpunkt der maximalen Ladung;
• – Bestimmen der Kapazität nach C = l × t / U und Bestimmen einer Kapazitäts änderung dC an einem oder den Sensoren, wobei nur bei einer Kapazitätsänderung durch dielektrische Beeinflussung der Status zu dem oder zu den Sensoren geändert wird und der Auswerteeinheit übermittelt oder von der Auswerteeinheit abgefragt wird;
• – Entladen der Sensoren bis zur vollständigen Entladung mit gleicher Steigung entsprechend dem Ladevorgang in der Endladezeit T, nämlich T-2T, wobei eine festgestellte Kapazitätsänderung dC, die zu einer Statusänderung des oder der Sensoren führt, eine Aktivität auf dem oder den Sensoren bedeutet.
• Für jeden Sensor eine individuelle Kapazitäts- und/oder Spannungskennlinie hinterlegbar, insbesondere die Kapazität ohne dielektrische Beeinflussung der Sensoren bekannt ist, und die Kapazitätsdiffenrenz zwischen der gemessenen Kapazität und der Kapazitätskennlinie verglichen wird.
• Der Ladestrom und/oder die Ladezeit können von einem Messvorgang zu dem darauffolgenden Messvorgang variieren. Die Vorrichtung verwendet Sensoren aus leitfähigen Materialien, die durch Sensoranschlusseinheiten angesteuert und ausgewertet werden können. Die Sensoranschlusseinheiten sind vorzugsweise spezielle Controller für kapazitive Sensoren, die die angeschlossenen Elektroden aufladen und anschließend wieder entladen. Dabei kann sowohl der Ladestrom als auch die Ladezeit durch externe Steuerung des Controllers variiert werden. Dadurch ergibt sich ein großer Kapazitätsbereich von 1:10.000, der zur Anpassung an die Einbausituation oder die zu erwartenden Kapazitätsänderungen verwendet werden kann. Einige Controller erlauben auch eine Änderung der Parameter zur Laufzeit der Messungen, was eine Anpassung der Empfindlichkeit im Verlauf der Messung ermöglicht.
• Die Auswerteeinheit analysiert die zur Verfügung stehenden Sensoren nach folgenden Fällen und steuert entsprechend vorgesehene Aktoren an:
• Fall 1 – Sturzerkennung:
• Der Aktor für Sturz wird aktiviert, wenn
• a) innerhalb eines Bereiches von 60 cm bei einem vorgegebenen Abstand von 10 cm zweier zueinander benachbarter Sensoren 4 Sensoren eine Kapazitätsänderung festgestellt haben,
• b) innerhalb eines Bereiches von 100 cm bei einem vorgegebenen Abstand von 10 cm zweier zueinander benachbarter Sensoren 6 Sensoren eine Kapazitätsänderung dC festgestellt haben und
• c) die zuvor genannten Bedingungen über einen Messzeitraum von mindestens 20 Sekunden gleichzeitig erfüllt sind.
• Bei anderen Sensorabständen sind entsprechend andere Bedingungen anzusetzen, die sich an den zuvor genannten Bedingungen orientieren müssen.
• Basierend auf den beschriebenen Verfahren, wird analysiert, ob eine ausreichende Anzahl von Elektroden mit dem Status aktiviert vorhanden ist, und ob dieser Zustand über eine ausreichend lange Zeit andauert. Sind diese Bedingungen erfüllt, liegt mit großer Wahrscheinlichkeit ein Sturzereignis, oder eine Bewusstlosigkeit vor und die Auswertungseinheit veranlasst über einen Aktor die Auslösung eines Notrufs.
• Die Erkennung dieser Notsituation ist auch dann möglich, wenn die Person sich am Boden liegend hin und her bewegt, wie beispielsweise bei Schmerzen, oder ihre Position dauerhaft verändert, z.B. sich kriechend fortbewegt.
• Fall 2 – unbefugtes Betreten:
• Der Aktor für unbefugtes Betreten wird aktiviert, wenn bei aktivierter Alarmbereitschaft eine Kapazitätsänderung mindestens eines Sensors festgestellt wird.
• Alternativ oder gleichzeitig kann auch eine Überwachung der Sensoren derart durchgeführt werden, dass bei Kapazitätsänderung im Bereich der Fenster ein Alarm ausgelöst wird, wobei die Aktivierung der entsprechenden Sensoren unerwartet war, da in dem Bereich sich keine Person hinbewegt hat.
• Fall 3 – Wasserschaden:
• Der Aktor für Wasserschaden wird aktiviert, wenn ausgehend von einem oder einer Gruppe von Sensoren in einem definierten kritischen Bereich, insbesondere in der Umgebung einer Waschmaschine oder eines Waschbeckens, als auch einer Badewanne, nacheinander weitere Sensoren aktiviert werden und aktiviert bleiben, wobei die Aktivierung durch eine Veränderung der Kapazität in Bezug auf deren Kennlinie erfolgt, die durch das austretende und sich ausbreitende Wasser hervorgerufen wird.
• Fall 4 – Notfall:
• Der Aktor für Notfall wird aktiviert, wenn über einen definierten Zeitraum keine Kapazitätsänderung in den gesamten Räumlichkeiten detektiert wird, wobei hierbei die Abwesenheit aller Personen berücksichtigt wird, nämlich nur Aktivierung des Aktors für Notfall, falls mindestens eine Person in den Räumlichkeiten anwesend ist bzw. war resp. sein soll. Somit kann eine Person, die sich innerhalb der Räumlichkeiten befindet und hilflos ist, beispielsweise über mehrere Stunden oder zu einer Unzeit regungslos im Bett liegt, möglicherweise noch gerettet werden, da ein entsprechender Notruf abgesetzt wird. Hierzu können Handlungsmuster und individuelle Gewohnheiten zur weiteren Verfeinerung herangezogen werden, um die Zeit bis zur tatsächlichen Alarmierung weiter zu reduzieren.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn beispielsweise unterhalb des Bettüberzugs oder im Bereich der Matratze eine entsprechende Sensoranordnung vorgesehen ist, die die Bewegungen des Körpers überwacht und bei Regungslosigkeit über einen vorgegeben Zeitraum entsprechend einen Aktor für den Notfall aktiviert.
• Fall 5 – Warmwasserversorgung:
• Der Aktor für die Aktivierung einer Warmwasserbereitung oder Aktivierung einer Wasserzirkulationseinrichtung, insbesondere einer Wasserstation, wird aktiviert, wenn ein Raum mit Warmwasserversorgung betreten werden soll oder betreten wird, wobei das „betreten werden soll“ durch Detektion einer Bewegung in Richtung des Raumes erfolgt. Bereits beim Erkennen, dass eine Person beispielsweise das Bad betreten möchte, entweder aus typischen Handlungsmustern heraus oder aus einer geradlinig auf das Bad gerichteten Bewegungsrichtung, kann so bedarfsweise eine Zirkulationseinrichtung für Warmwasser oder eine Warmwasserstation aktiviert werden, was zu einer deutlichen Energieeinsparung führt.
• Fall 6 – Raumbeleuchtung:
• Der Aktor für die Aktivierung einer Raumbeleuchtung eines Raumes wird aktiviert, wenn dieser Raum betreten werden soll oder betreten wird, wobei das „betreten werden soll“ durch Detektion einer Bewegung in Richtung des Raumes erfolgt.
• Die Verfahren sind prozedurale Methoden, nach denen die Kapazitäten und Kapazitätsänderungen der Sensoren über die Zeit und über die Ausdehnung der Sensoren bewertet werden. Die Verfahren werden z.B. innerhalb von Auswertungseinheiten implementiert. Typischerweise beinhalten Auswertungseinheiten Rechnersysteme, auf denen die Methoden als programmierte Algorithmen implementiert sind. Vorzugsweise eignen sich dafür Systeme mit geringer Rechenleistung und damit geringem Stromverbrauch. Derartige Systeme sind auch als embedded Systems bekannt.
• Eine weitere Möglichkeit ist die Implementierung des Verfahrens außerhalb der Vorrichtung. Die Sensordaten werden dabei drahtlos an die Auswertungseinheiten übertragen. Bei Verwendung der Rohdaten, also der Kapazitätswerte der Sensoren, können auch komplexere Berechnungen durchgeführt werden, die auf den einfachen Rechensystemen nicht möglich wären.
• Die einfachste Methode besteht in der Feststellung, ob sich die Kapazität eines Sensors verändert hat, und ob diese Veränderung signifikant ist. Besitzt der Sensor die geeignete Ausdehnung und ist an einem geeigneten Ort eingebaut, kann schon damit z.B. das Betreten eines Raumes durch eine Person festgestellt werden. Im Gegensatz zu den bekannten Bewegungsmeldern ist jedoch auch schon mit dieser einfachsten Methode eine qualitative Auswertung möglich, da z.B. die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit erkannt werden kann.
• Eine weitere, etwas anspruchsvollere Methode bewertet bei einer linearen Anordnung von linearen Sensoren die Kapazitätsänderung über die Zeit. Dabei werden die gemessenen Kapazitäten und deren Änderungen linearisiert und skaliert. Die analogen Messwerte werden also in einige wenige digitale Werte gewandelt, mit dem Ziel, die Auswertung über einfachste, maschinentypische Rechenverfahren wie Schiebeoperationen von Zweierpotenzen, logische Verknüpfungen und dgl. zu bewerkstelligen. Damit wird es möglich, Auswertungseinheiten auch in 8-Bit Technik auszuführen, die als kostengünstig, stromsparend und robust am Markt seit langem eingeführt ist.
• Es besteht ferner die Möglichkeit, eine Erkennung von diskontinuierlichen Bewegungsmustern durchzuführen, die als Auffälligkeiten bei der Diagnose von Erkrankungen nützlich sein können. Das Einverständnis der Nutzer vorausgesetzt, bietet sich hier eine Möglichkeit der Weiterentwicklung der medizinischen Diagnostik.
• Die Auswerteeinheit und/oder eine nach geschaltete Musterauswerteeinheit analysieren die zur Verfügung stehenden Sensoren über die Zeit und detektieren bzw. zeichnen aus den Aktivierungen Bewegungsmuster, Handlungsschema und/oder -routinen auf, wobei Aktoren bei erneutem Auslösen der Bewegungsmuster, Handlungsschema und/oder -routinen angesteuert werden.
• Typischerweise werden mehrere Verfahren, gleichzeitig bzw. nacheinander angewandt. Die Kombination der Verfahren und ihre Abfolge ist ebenfalls ein Verfahren. Ein Verfahren kann auch darin bestehen, dass ein Verfahren in Abhängigkeit von Zuständen, die sich im Laufe des Verfahrens ergeben, dauerhaft abgeändert fortgeführt wird, wodurch ein selbstmodifizierendes Verfahren, ähnlich dem selbstmodifizierenden Code eines Programms, geschaffen ist.
• Weitere Methoden kombinieren mehrere Sensoranordnungen, nämlich beispielsweise Sensoren im Fußboden und Sensoren in der Wand, um hieraus weitere Bewegungsschemata bzw. Kontrollen und Handlungsabläufe zu ermöglichen bzw. zu verifizieren. Ein möglicher Nutzen ist hierbei, die Ergebnisse der Methoden abzusichern und abzugleichen.
• Ferner kann, die Einwilligung der Bewohner vorausgesetzt, ein Aktivitätsmonitoring durchgeführt werden. Hierbei kann festgestellt werden, wie lange sich eine Person im Badezimmer aufhält oder ob die Person sich beispielsweise nach dem Gang auf die Toilette auch die Hände gewaschen hat. Weiter können Rituale überwacht werden, die insbesondere bei Alzheimer-Patienten eingehalten werden sollten.
• Eine weitere Funktion besteht darin, in speziell dafür vorgesehenen Flächen des Bodens entsprechende Aktivierungsbereiche vorzusehen. Beispielsweise kann zur Aktivierung der Toilettenspülung ein Bereich vor der Toilette vorgesehen sein, der zunächst bei Betreten durch eine Kapazitätsänderung aktiviert wird und beim Verlassen deaktiviert wird. Der dazugehörige Aktor für die Toilettenspülung könnte sodann beim Verlassen der Fläche angesteuert werden, also bei Deaktivierung. Gleichwohl ist auch ein Bereich denkbar, der erst bei der zweiten Aktivierung den entsprechenden Aktor ansteuert, so dass erst beim Verlassen des Toilettenbereichs, also dem zweiten Überschreiten der Sensorfläche, eine Spülung ausgelöst wird. Oder aber ein spezieller Bereich muss zur Spülung betreten werden. Diese Aktivierungsart der Toilettenspülung kann in sehr großem Umfang auch in öffentlichen Bereichen, wie Autobahn-Toilettenanlagen, Gaststätten oder Hotels auf einfachste Art und Weise nachträglich ohne großen Aufwand eingebaut werden.
• Ein weiterer Nutzen kann die Erkennung komplexer Handlungsabläufe der Person sein, die für die Hausautomation genutzt werden kann. Eine Person die das Badezimmer betritt und sich anschließend dem Waschtisch nähert, möchte evtl. Wasser zapfen oder sich im Spiegel betrachten. Für beide Situationen können entsprechende Aktionen der Haustechnik definiert werden. Die Kombination von Methoden ist natürlich auch hilfreich um komplexe Situationen zu erkennen und so z.B. Fehlalarme zu vermeiden. Als Beispiele seien hier genannt:
  Eine Person duscht im Sitzen und hebt dabei die Beine an um sich die Füße zu waschen oder aber es befinden sich mehrere Personen gleichzeitig im Duschbereich, beispielsweise eine Pflegekraft, die die zu duschende Person unterstützt.
• Das Ergebnis der Verfahren bzw. der Methoden ist eine Zustandsbeschreibung, die an einen oder mehrere Aktoren weitergeleitet werden kann, um Signaleinrichtungen zu betätigen oder Steuerungsaufgaben zu erfüllen.
• Vereinfacht gesagt, werden hier analoge, mehrdimensionale Informationen in digitale, eindimensionale Informationen transferiert, deren Erkennung auch für kleine Rechenleistungen möglich ist. Bildlich gesprochen: Aus einer diffusen, farbigen, räumlichen Wolke (viele analoge Messwerte) werden einige schwarze Punkte (Bits), die sich möglicherweise eindimensional bewegen. Die Auswertung besteht aus dem Zählen der Punkte und der Feststellung, ob sie sich bewegt haben.
• Für den Bereich der Komfortlösungen bieten sich Anbindungen an die Haustechnik und Gerätetechnik z.B. bei der Energieeinsparung oder Lichtsteuerung / Gerätesteuerung.
• Während der Heizwärmebedarf neuer Gebäude stetig abnimmt, und nach Plänen der Bundesregierung bis zum Jahr 2020 auf Null reduziert werden soll, ist bei der Erzeugung von Trinkwarmwasser keine Änderung des Energiebedarfs geplant. Indirekt wird versucht, durch Nutzung der Solarthermie den Bedarf zu senken. Aus wirtschaftlichen Gründen sind solche Anlagen auch mittelfristig nicht zu empfehlen, da die Investitionskosten und Bereitschaftsverluste dieser Anlagen Amortisationszeiten jenseits der Nutzungsdauer ergeben.
• Hier kann die Erfindung ansetzen, und insbesondere bei „Großanlagen“ im Sinne der Trinkwasserverordnung die Bereitschaftsverluste konventioneller Anlagen drastisch reduzieren. Das Trinkwasser wird nur dann erwärmt, wenn es auch verwendet werden könnte.
• Bei der Sanitärinstallation sind Vorrichtungen denkbar, die in Verbindung mit konventionellen SPSS die (Warm-)Wasserversorgung von Waschmaschinen ermöglichen. Aber auch bei der Auslösung von WC-Spülungen oder der Steuerung von Duschen sind vielfältige Einsatzmöglichkeiten kapazitiver Sensorsysteme möglich.
• Bei der Außenbeleuchtung von Gebäuden, Außenanlagen, Flure, Treppenhäuser und dgl. kann eine kapazitive Steuerung die sonst üblichen Zeitschaltungen ersetzen. Innerhalb der Wohnungen kann auch ohne Mitwirkung des Wohnungsnutzers in die Lichtsteuerung eingegriffen werden, z.B. wird beim Verlassen des Bettes der Weg zur Toilette beleuchtet.
• Eine Sensorik in Möbeln kann als „virtuelle Fernbedienung“ zur Gerätesteuerung verwendet werden. Das ermöglicht auch motorisch eingeschränkten Personen die Bedienung von Geräten ohne kostspielige Bedienungselemente.
• Weitere besondere Ausgestaltungsmerkmale sind den anliegenden Figuren zu entnehmen.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
• Darin zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gesamtsystems der Aktivitätssensorik in einem ersten Ausführungsbeispiel;
• 2 eine exemplarische Anordnung zweier Sensorfelder;
• 3 den Verlauf der gemessenen Kapazität C eines Sensors 1 über die Zeit t;
• 4 zwei verschiedene Einstellungen für die Sensoranschlusseinheit 2;
• 5 ein Diagramm zur Gesamtkapazität einer Sensorgruppe;
• 6 eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit einem Auswertefenster F;
• 7 eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit zwei Auswertefenstern F und F’;
• 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer zweidimensionalen Sensoranordnung zur Aktivitätserkennung in zwei Dimensionen;
• 9 eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit zwei Auswertefenstern F und F’ in zwei Dimensionen;
• 10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer ansteuerbaren Warmwasserstation FWS zur Erzeugung von heißem Brauchwasser WW in einer Mehrparteien-Wohneinheit;
• 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik in einer komplexen Implementierung;
• 12 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung;
• 13 eine Detailzeichnung des erfindungsgemäßen Sensors 1;
• 14 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einem Querschnitt eines mit Sensoren 1 nachträglich ausgerüsteten Bodenaufbaus 13;
• 15 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Bodenaufbaus 13 mit den erfindungsgemäßen Sensoren und
• 16 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einem Querschnitt eines mit Sensoren 1 ausgerüsteten Bodenaufbaus 13, beispielsweise eines Neubaus.
• In 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gesamtsystems der Aktivitätssensorik in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.
• Die Aktivitätssensorik weist Sensoren 1 aus leitfähigen Materialien auf. Diese sind vorzugsweise aus Metall und insbesondere aus Kupfer. Die Sensoren 1 können als Flachbandkabel oder als Rundkabel ausgebildet sein.
• Weiter sind Sensoranschlusseinheiten / Sensorcontroller 2 vorgesehen. Diese Sensoranschlusseinheiten / Sensorcontroller 2 sind Schaltungen, vorzugsweise spezielle Controller für kapazitive Sensoren, sowie Microcontroller. Durch diese 2 werden die Sensordaten der Sensoren 1 nach Vorgaben der jeweiligen Verfahren erfasst und an eine Auswerteeinheit 4 weitergeleitet.
• Auswerteeinheiten 4 sind Schaltungen, vorzugsweise Microcontroller, die die Verfahren zur Aktivitätserkennung implementieren. Diese Auswerteeinheiten 4 dienen der Verarbeitung der erfassten Sensorsignale. Die Auswerteeinheit 4 kann auch aus einem Zusammenschluss mehrerer Auswerteeinheiten 4a, 4b bestehen.
• Die Auswerteeinheit 4 und die Sensoranschlusseinheiten / Sensorcontroller 2 sind über einen Installationsbus, ein Bussystem, eine Zuleitung oder insbesondere einen I²C Bus 3 miteinander verbunden und kommunizieren hierüber.
• Ferner sind Aktoren 6 vorgesehen. Aktoren 6 sind Schaltungen, vorzugsweise elektronische Schalter, die die Ergebnisse der Verfahren an andere Geräte weiterleiten bzw. diese aktivieren.
• Weiter besteht auch die Möglichkeit die von den Sensoranschlusseinheiten / Sensorcontroller 2 erfassten Daten über weitere Auswerteeinheiten 4 auszuwerten, die die entsprechenden Signale über den Bus 3 oder dgl. erhalten.
• Das Verfahren zur Aktivitätserkennung wertet unter Benutzung entsprechender Sensorcontroller 2 die Kapazitätsänderungen der Sensoren 1 aus. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass die Kapazität eines Sensors 1 sich verändert, wenn in deren Einflussbereich Materialien mit unterschiedlichen dielektrischen Leitfähigkeiten eingebracht werden. In diesem Fall sind das Luft und Wasser, deren dielektrischen Leitfähigkeiten sich um den Faktor 80 unterscheiden. Beim Betreten eines Sensors 1 wird sodann dessen Kapazität verändert, was detektiert werden kann.
• Ziel ist die Erfassung der Aktivierung eines Sensors 1 durch Beeinflussung mittels eines im Wesentlich aus Wasser bestehenden Körperteils eines Menschen. Der Sensor 1 ist deaktiviert, wenn nur Luft im Einflussbereich ist, und ist aktiviert, wenn Wasser sich in dessen Einflussbereich befindet – Kapazitätsänderung.
• Im Weiteren werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Zu deren prinzipieller Funktion wird auf 1 verwiesen.
• In 2 ist exemplarische Anordnung zweier Sensorfelder 1, 2 sowie 1’, 2’ dargestellt.
• An einem ersten Sensorcontroller 2 sind fünf Sensoren 1 angeschlossen, wobei diese unabhängig voneinander angesteuert und ausgelesen werden können.
• An einem zweiten Sensorcontroller 2’ sind weitere fünf Sensoren 1’ angeschlossen, wobei diese ebenfalls jeweils unabhängig voneinander angesteuert und ausgelesen werden können.
• Beide Sensorcontroller 2 können die erfassten Sensordaten an eine entsprechende Auswerteeinheit 4 weitergeben.
• In 3 ist der Verlauf der gemessenen Kapazität C eines Sensors 1 über die Zeit t dargestellt. Die Kapazität C ohne Anwesenheit von Körperteilen ist C₀. Wird der Messbereich betreten, vergrößert sich die Kapazität. Ist die Größenänderung signifikant, d.h. ist die gemessene Kapazitätsvergrößerung dC_IN innerhalb der Zeitspanne dt_IN eingetreten wird der Sensor 1 aktiviert. Die Elektrode wird wieder deaktiviert, wenn die gemessene Kapazitätsverkleinerung dC_OUT innerhalb der Zeitspanne dt_OUT gemessen wird.
• Diese Zustände der Sensoren werden in dieser Beschreibung erfindungsgemäß als „Elektrodenmodell“ bezeichnet. Diese werden innerhalb der Auswertungseinheiten abgebildet. Die weiteren Auswertungen erfolgen ausschließlich mit diesen beiden digitalen Zuständen, nämlich 0 und 1.
• Der Elektrodenstatus nimmt dabei die Werte 0 (= deaktiviert) und 1 (= aktiviert) an. Dadurch wird eine Datenmodellierung und -verarbeitung auf Bitebene möglich, die mit kleinster Rechenleistung und sehr kleinen Energieverbräuchen auskommt.
• Die Verwendung digitaler Zustände bedeutet jedoch nicht, dass nur noch zwei Zustände erkannt werden. Die Sensoranschlusseinheiten 2 ermöglichen eine Anpassung der Messung, so dass der Status eines Sensors 1 auch unter anderen Bedingungen wechseln kann.
• In 4 sind beispielsweise zwei verschiedene Einstellungen, hier als C/t-Fenster bezeichnet, für die Sensoranschlusseinheit 2 dargestellt. Das Empfindlichkeits- bzw. das Ansprechverhalten hängt dabei von folgenden Rahmenbedingungen ab:
• Der Sensor 1 muss mind. die Kapazität C_{POS 1} erreichen, damit eine Elektrodenstatus-Erkennung gem. 3 überhaupt eingeleitet wird. Dann muss eine Kapazitätsänderung dC₁ innerhalb einer Zeitspanne dt₁ erreicht werden, damit der Elektrodenstatus auf aktiviert wechselt. Das Verfahren übermittelt die Parameter dC, dt und bei Bedarf auch C_POS, an die Sensoranschlusseinheit 2.
• Im Verlauf einer Messung können diese C/t-Fenster auch mehrfach angepasst werden. Damit wird der Wechsel von einer quantitativen zu einer qualitativen Messmethode vollzogen. Die beschriebene Anpassung kann z.B. erforderlich werden, wenn die Kapazität der Sensoren steigt, ohne dass dafür die Anwesenheit von Personen verantwortlich ist, wie z.B. bei einem nassen Bodenbelag im Badezimmer durch Wischen oder dgl.
• 5 zeigt ein Diagramm zur Gesamtkapazität einer Sensorgruppe.
• Eine weitere Anpassbarkeit der Sensordatenmessung besteht darin, die Gesamtkapazität einer Sensorgruppe zu messen und die Empfindlichkeit des Sensorsystems dadurch zu steigern.
• Es werden dazu einfach die Einzelkapazitäten der Sensorgruppe addiert und die Auswertung gem. 3 erfolgt dann für den Verlauf der Gesamtkapazität C_GES statt für die Einzelsensoren 1. Dieser Teilaspekt der Implementierung wird verwendet, um in der Auswertungseinheit vom Zustand „warten ob sich etwas ändert“ in den Zustand „analysiere was sich geändert hat“ umzuschalten.
• In 6 ist eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit einem Auswertefenster F dargestellt.
• Die Sensoren 1 und die dazugehörigen Kapazitäten C wurden durch Parametrierung der Sensoranschlusseinheiten 2 adäquat ausgewertet und ihre Zustandsbeschreibung in einem Elektroden-Modell EM abgebildet.
• Der Elektroden-Status ES wird definitionsgemäß binär gespeichert. Für eine beispielsweise lineare Sensoranordnung ergibt sich ein eindimensionales Feld mit Binärzahlen, vorzugsweise als Ganzzahl dargestellt (z.B. 32-Bit breit).
• Zunächst wird im gesamten Elektroden-Modell EM nach Clustern, d.h. nach Gruppen von mindestens zwei benachbarten, gesetzten Bits gesucht. Das Verfahren definiert nun ein Auswertefenster F, d.h. einen Ausschnitt mit einer Breite von m-Bit, die abhängig von der Geometrie der Sensoranordnung ist. Das Verfahren prüft nun, ob eine ausreichende Anzahl von Sensoren innerhalb des Auswertefensters F aktiviert wurden, wobei dies dadurch erfolgt, dass der Microcontroller 4 prüft, ob entsprechende Bits gesetzt sind. Diese Prüfung wird durch verschieben des Auswertefensters F in Bewegungsrichtung BF über die gesamte Breite des Sensorfeldes wiederholt.
• Das Vorhandensein von Clustern und Fensterpositionen mit ausreichend gesetzten Bits werden vom Verfahren als „Aktivität“ erkannt.
• 7 zeigt eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit zwei Auswertefenstern F und F’.
• Innerhalb eines Elektroden-Modells EM dürfen mehrere Auswertefenster F, F’ vorhanden sein. Durch die Modellierung von Auswertefenstern F, F’ als 2-dimensionale Vektoren mit Position und Größe können, über die Zeit betrachtet, Bewegungen dieser Auswertefenster F, F’ erkannt werden.
• In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Sensoranordnung zur Aktivitätserkennung in zwei Dimensionen dargestellt.
• Hierbei kann eine deutlich höhere Auflösung erzielt werden.
• In 9 ist eine Zustandsbeschreibung des Sensorenstatus ES in einem Elektroden-Modell EM mit zwei Auswertefenstern F und F’ in zwei Dimensionen dargestellt.
• Es wird lediglich die Überlagerung zweier, nicht zwingend orthogonal zueinander ausgerichteter Sensoranordnungsebenen im Elektroden-Modell EM abgebildet. Im einfachsten Fall werden die Sensor-Zustände der beiden eindimensionalen Elektroden-Modelle EM durch logische UND-Verknüpfung in ein neues, 2-dimensionales Modell überführt. Ortsbestimmung, Veränderungen und Bewegungen lassen sich dann mit einfachen Rechenoperationen im euklidischen Vektorraum umsetzen.
• Eine weitere Dimensionserweiterung, insbesondere über die Zeit würde die Erkennung wiederkehrender Handlungsabläufe und Gewohnheiten ermöglichen. Daraus können durch geeignete Auswertung Rückschlüsse auf Vitalität und Defizite gezogen werden.
• 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer ansteuerbaren Warmwasserstation FWS zur Erzeugung von heißem Brauchwasser WW in einer Mehrparteien-Wohneinheit.
• Gerade in Wohngebäuden mit mehreren Wohnungen bietet sich die Möglichkeit, durch Eingriffe in die zentrale Haustechnik die Energieeffizienz dieser Gebäude wesentlich zu verbessern. Seit November 2011 gilt in Deutschland eine neue Trinkwasserverordnung, die zwingend vorschreibt, bei Großanlagen, das sind z.B. Gebäude mit 3 oder mehr Wohnungen, ganztägig eine Warmwasserzirkulation zu betreiben. Die daraus resultierenden Energieverluste sind insbesondere Bereitschaftsverluste der Anlagen und übersteigen den eigentlichen Energiebedarf für die Erwärmung des Trinkwassers bei Weitem.
• Alternativ ist eine technische Lösung verordnungsgerecht realisierbar: Jede Wohnung erhält eine Frischwasserstation FWS mit einem Wärmetauscher WT und zwei Zirkulationspumpen P1 und P2 einsetzbar. Das Trinkwasser für die einzelne Wohnung wird jeweils vor der Zapfung auf 60°C erwärmt, die WW-Leitungen werden durch die Wohnungszirkulation gespült.
• Da eine WW-Trinkwasserzapfung nur erfolgen kann, wenn eine Person das Ventil öffnet, kann die Aktivitätssensorik die Frischwasserstation bedarfsgerecht ansteuern. Beim Betreten des Bades wird P1 eingeschaltet und versorgt den Wärmetauscher WT mit heißem Kesselwasser. Bei Annäherung einer Person an eine Zapfstelle wird auch P2 eingeschaltet und erwärmt die WW-Leitungen auf 60°C. Die Zeitspanne vom Betreten des Raumes bis zur Benutzung der Zapfstelle, einige Sekunden, wird also genutzt um die Erwärmung des Trinkwassers einzuleiten. Wird dann tatsächlich die Warmwasser-Leitung geöffnet steht sofort warmes Wasser zur Verfügung. Eine unnötige Erwärmung des Trinkwassers wird durch das Verfahren insoweit vermieden, als dass nicht ständig eine Zirkulation stattfindet. Eine Kontamination des Warmwasser-Systems mit Legionellen ist ausgeschlossen.
• Das Verfahren eignet sich auch für Nichtwohngebäude wie z.B. Turnhallen, Schwimmbäder, Wellnessanlagen, Arbeitsstätten usw. bei denen die Bereitschaftsverluste besonders gravierend sind.
• 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik in einer komplexen Implementierung.
• Die Sensoren bestehen aus im Handel verfügbaren isoliertem Kupferdraht mit einem Querschnitt von A = 2 × 1,5 mm². Es sind jeweils zwei Drähte nebeneinander liegend einzeln isoliert und bevorzugt in einer gemeinsamen einhüllenden Isolierung angeordnet. Diese bilden einen Sensor 1. Dieser Sensortyp kann insbesondere für Projekte im Neubaubereich angewandt werden, wo die Sensoren 1 in einer Tiefe von 10 bis 20mm unter der Fußbodenoberfläche bzw. der Bauteiloberfläche eingebaut werden.
• Der Sensorcontroller 2, beispielsweise ein MPR121 Freescale, ist über einen I²C-Bus 3 an dem Microcontroller 4 angeschlossen. Es können auch mehrere Sensorcontroller 2 an den Bus 3 angeschlossen werden.
• Der Microcontroller 4 ist ein 8-Bit Typ, mit geringem Energiebedarf. An die digitalen Ausgänge des Microcontrollers 4 werden die Aktoren 6 angeschlossen. Für den Betrieb als Sturzerkennung wird hier ein Optokoppler 10 verwendet, der potentialfrei direkt am Hausnotrufgerät 9 angeschlossen werden kann um den Notruf auszulösen.
• An weiteren digitalen I/O-Leitungen ist ein Funkmodul 11 angeschlossen, welches bevorzugt im 868 MHz-Band Statusmeldungen des Microcontrollers 4 sendet. Als Gegenstelle der Funkverbindung dient ein weiterer Microcontroller 4 gleichen Typs, der die Aktoren 6 der Hausautomation schaltet. Der Empfänger ist vorzugsweise in der Unterverteilung eingebaut und auch über Optokoppler 10 an den Aktoren 6 der Hausautomation angeschlossen.
• Die Elektronik umfassend den Microcontroller 4, den Sensorcontroller 2 und das Funkmodul 11 wird über einen Akku 7 versorgt, der über ein galvanisch getrenntes Ladegerät 8 in regelmäßigen Abständen aufgeladen wird. Die Regelung des Ladestroms übernimmt ein auf dem Microcontroller vorhandener Laderegler.
• In 12 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Sensoranordnung dargestellt.
• Die Sensoranordnung beim entspricht in der Geometrie einem Sensorabstand von 10 cm, einer Einbautiefe unter der Bauteiloberfläche von ca. 15mm der späteren Ausführung im Neubaubereich.
• Angestrebt wird ferner die Nutzung einer handelsüblichen Entkopplungsmatte, die bei Fliesenbelägen der Vermeidung von Spannungsrissen dient und eine unabhängige Bewegung von Fliesenbelag und Untergrund zulässt. Der Vorteil ist, dass die gesamte Sensorik in die Matte eingebaut werden kann und anschließend in einem Arbeitsgang in das Bauteil eingebaut wird.
• Für den Bereich des Gebäudebestands sollen die Sensoren 1 in die Fliesenfugen 134’’ eingebaut werden. Der Abstand entspricht hier der Fliesengröße, die Einbautiefe beträgt nur wenige Millimeter. Die Fliesenfugen 134’ werden nach der Montage der Sensoren 1 wieder mit einer Fugenmasse gefüllt. Der oder die Sensorcontroller 2 werden hierbei in Elektroeinbaudosen unter dem Fliesenbelag untergebracht.
• 13 zeigt eine Detailzeichnung eines erfindungsgemäßen Sensors 1.
• Es sind gut die zwei einzelnen Sensorleitungen 1a und 1b, insbesondere die erste und zweite Kupferleitung des Sensors, zu erkennen, die in einem gemeinsamen Punkt 1x, dem Verbindungspunkt mit einer Leitung 3 zu dem Sensorcontroller 2 verbunden werden.
• Durch diese sehr geschickte und im Ergebnis überraschend einfache Ausgestaltung der Sensoren 1 ist sowohl ein kostengünstiges als auch ein einfach zu beschaffendes Sensorelement 1 angegeben, das allen Erfordernissen genügt.
• Die 14, die 15 und die 16 zeigen eine Querschnitt bzw. eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Aktivitätssensorik am Beispiel eines Bodenaufbaus mit einem Fliesenbelag. Es wird auf die Bezugszeichenliste verwiesen.
• Der jeweilige Aufbau ist hierbei gut zu erkennen. 14 zeigt dabei eine Sanierung bzw. nachträgliche Einbringung beim Bauen im Bestand. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für einen Neubau bzw. Neuaufbau.
• Bezugszeichenliste

1, 1’

Sensor

1a

erste Kupferleitung des Sensors

1b

zweite Kupferleitung des Sensors

1x

Verbindungspunkt

2, 2’

Sensoranschlusseinheit / Sensorcontroller

3

Installationsbus / Bussystem / Zuleitung / I²C-Bus

4, 4a, 4b

Auswerteeinheit

6

Aktoren

7

Akku

8

Ladegerät

9

Hausnotrufgerät

10

Optokoppler

11

Funkmodul

12

externe Hausautomation

13

Fußbodenaufbau

131

belegbare Oberfläche / Estrich

132

Fliesenkleber

133

Fliese

134

nicht verfugte Fuge

134’

Sensor vorbereitete Fuge

134’’

verfugte Fuge

BF

Fensterbewegung

BF’

zweite Fensterbewegung

C, C0

Kapazität

CTW1

C/t-Fenster 1

CTW2

C/t-Fenster 2

d

Abstand

l

Länge

EM

Elektrodenmodell

ES

Elektroden-Status

F, F’

Auswertefenster

FWS

Frischwasserstation

G

Trägerplatte / Gewebe

HKZ

Heizkessel (Zentrale)

HWK

Heizwasserkreislauf

KW

Kaltwasserzufuhr (Brauchwasser)

P1

erste Zirkulationspumpe

P2

zweite Zirkulationspumpe

t

Zeit

T

Ladezeit

WT

Wärmetauscher

WW

Warmwasser (Brauchwasser)

X, Y

Orientierungs- / Richtungsindizes

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102006027213 A1 [0008]
• DE 4036475 A1 [0009]
• DE 102007001225 A1 [0010]

Claims (11)

1. Aktivitätssensorik mit einer Sensor- / Aktoranordnung für die Erkennung von Anwesenheit und/oder Aktivität/Inaktivität von Lebewesen, insbesondere Menschen, in zu überwachenden Räumlichkeiten auf Basis einer kapazitiven Sensorik mit – mindestens zwei nebeneinander angeordneten Sensoren (1, 1’), – einem oder mehreren Aktoren (6), – einer Auswerteeinheit (4), wobei die Sensoren (1, 1’) mittels der Auswerteeinheit (4) in Form einer kapazitiven Sensorik verschaltet und die Aktoren (6) auf Grundlage eines detektierten Ereignisses von der Auswerteeinheit (4) ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1, 1’) geradlinig ausgestreckte, isolierte lineare Leiter, bevorzugt aus Kupfer, sind und gleich beabstandet parallel zueinander in oder unter einem Bauelement (13) eines Raumes angeordnet sind, die Leiter (1, 1’) an einem Sensorcontroller (2, 2’) angeschlossen sind und der Sensorcontroller (2, 2’) mit der Auswerteeinheit (4) verbunden ist, wobei bevorzugt die Kommunikation zwischen dem Sensorcontroller (2, 2’) und der Auswerteeinheit (4) über einen Installationsbus, ein Bussystem, besonders bevorzugt einen I²C(Inter-Integrated Circuit)-Bus erfolgt.
2. Aktivitätssensorik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1, 1’) jeweils zwei geradlinig ausgestreckte, isolierte, lineare und parallel zueinander ausgerichtete Leiter (1a, 1b) mit einem runden Querschnitt, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3,0 mm², insbesondere 1,5 mm², sind und diese in einem gemeinsamen Anschlusspunkt (1x) am Ende der beiden Leiter (1a, 1b) miteinander und mit dem Sensorcontroller (2, 2’) verbunden sind.
3. Aktivitätssensorik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1, 1’) in einem Bauteil / Bauelement, besonders bevorzugt in den Fugen eines aus Fliesen bestehenden Fußbodenbelags (13), eingebracht, eingewebt oder eingebettet sind.
4. Aktivitätssensorik nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (1, 1’) in einer unter einen Bodenbelag (133) einzubauende Bahn, bevorzugt einer Entkopplungsbahn, besonders bevorzugt aus Polyethylen, eingebettet sind.
5. Verfahren zur Herstellung eines Boden-(13) oder eines Wandaufbaus mit einer Aktivitätssensorik nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche unbelegt, bedarfsweise durch Entfernen eines etwaig vorhandenen alten Belags, ist, umfassend die Schritte: a) Aufbringen der Sensoren (1, 1’) auf die belegbare Oberfläche (131); b) Anschließen der einzelnen Sensoren (1, 1’) und c) Aufbringen des Bodenbelags (132 und 133)
6. Verfahren zur Herstellung eines Boden-(13) und/oder Wandaufbaus im Bestand mit einer Aktivitätssensorik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine belegbare Oberfläche (131) mit einem Fliesenbelag (133) belegt ist, umfassend die Schritte: a) Entfernen des Fugenmörtels aus den verfugten Fugen (134’’) zwischen den Fliesen (133); b) Einbringen der Sensoren (1, 1’) in die offenen, nicht verfugten Fugen (134); c) Anschließen der einzelnen Sensoren (1, 1’) und d) Verfugen der Sensor vorbereiteten Fugen (134’) mit Fugenmörtel.
7. Aktivitätsauswerteverfahren für eine Aktivitätssensorik nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Auswertung der detektierten Aktivität, wobei die einzelnen Sensoren (1, 1’) zeitlich unabhängig voneinander ansteuerbar sind, umfassend die kontinuierlich zu wiederholenden Schritte: – temporäres Erden der Sensoren (1, 1’) zum Nullsetzen; – stetig ansteigendes Laden der Sensoren (1, 1’) durch den Sensorcontroller (2, 2’) mittels Gleichstrom in der Ladezeit (T) bis zu einem Maximalwert zum Ende der Ladezeit (T); – Messen der Sensorspannung im Zeitpunkt (T) der maximalen Ladung; – Bestimmen der Kapazität C nach dV / dt = I / C und Bestimmen einer Kapazitätsänderung dC an einem (1) oder den Sensoren (1, 1’), wobei nur bei einer Kapazitätsänderung durch dielektrische Beeinflussung der Status zu dem (1) oder zu den Sensoren (1, 1’) geändert wird und der Auswerteeinheit (4) übermittelt oder von der Auswerteeinheit (4) abgefragt wird; – Entladen der Sensoren (1, 1’) bis zur vollständigen Entladung mit gleicher Steigung entsprechend dem Ladevorgang in der Endladezeit (T, nämlich T-2T), wobei eine festgestellte Kapazitätsänderung dC, die zu einer Statusänderung des (1) oder der Sensoren (1, 1’) führt, eine Aktivität auf dem (1) oder den Sensoren (1, 1’) bedeutet.
8. Aktivitätsauswerteverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Sensor (1) eine individuelle Kapazitäts- und/oder Spannungskennlinie hinterlegbar ist, insbesondere die Kapazität (C₀) ohne dielektrische Beeinflussung der Sensoren (1, 1’) bekannt ist, und die Kapazitätsdiffenrenz zwischen der gemessenen Kapazität und der Kapazitätskennlinie verglichen wird.
9. Aktivitätsauswerteverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom und/oder die Ladezeit von einem Messvorgang zu dem darauffolgenden Messvorgang variiert werden.
10. Aktivitätsauswerteverfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) die zur Verfügung stehenden Sensoren (1, 1’) nach folgendem Fallschema analysiert und entsprechend vorgesehene Aktoren ansteuert: 1) Aktor für Sturz wird aktiviert, wenn a) innerhalb eines Bereiches von 60 cm 75 % der Sensoren (1, 1’) eine Kapazitätsänderung dC festgestellt haben, b) innerhalb eines Bereiches von 100 cm 60 % der Sensoren (1, 1’) eine Kapazitätsänderung dC festgestellt haben und c) die zuvor genannten Bedingungen über einen Messzeitraum von mindestens 20 Sekunden gleichzeitig erfüllt sind; und/oder 2) Aktor für unbefugtes Betreten wird aktiviert, wenn bei aktivierter Alarmbereitschaft eine Kapazitätsänderung dC mindestens eines Sensors (1, 1’) festgestellt wird; und/oder 3) Aktor für Wasserschaden wird aktiviert, wenn ausgehend von einem (1) oder einer Gruppe von Sensoren (1, 1’) in einem definierten kritischen Bereich, insbesondere in der Umgebung einer Waschmaschine, nacheinander weitere Sensoren (1, 1’) aktiviert werden und aktiviert bleiben, wobei die Aktivierung durch eine Veränderung der Kapazität in Bezug auf deren Kennlinie erfolgt; und/oder 4) Aktor für Notfall wird aktiviert, wenn über einen definierten Zeitraum dt keine Kapazitätsänderung dC in den gesamten Räumlichkeiten detektiert wird, wobei hierbei die Abwesenheit aller Personen berücksichtigt wird, nämlich nur Aktivierung des Aktors für Notfall, falls mindestens eine Person in den Räumlichkeiten anwesend ist; und/oder 5) Aktor für die Aktivierung einer Warmwasserbereitung oder Aktivierung einer Wasserzirkulationseinrichtung, insbesondere einer Wasserstation, wird aktiviert, wenn ein Raum mit Warmwasserversorgung betreten werden soll oder betreten wird, wobei das „betreten werden soll“ durch Detektion einer Bewegung in Richtung des Raumes erfolgt; und/oder 6) Aktor für die Aktivierung einer Raumbeleuchtung eines Raumes wird aktiviert, wenn dieser Raum betreten werden soll oder betreten wird, wobei das „betreten werden soll“ durch Detektion einer Bewegung in Richtung des Raumes erfolgt.
11. Aktivitätsauswerteverfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) und/oder eine nachgeschaltete Musterauswerteeinheit die zur Verfügung stehenden Sensoren (1, 1’) über die Zeit (t) analysiert und aus den Aktivierungen Bewegungsmuster, Handlungsschema und/oder -routinen detektiert und/oder aufzeichnet, wobei Aktoren bei erneutem Auslösen der Bewegungsmuster, Handlungsschema und/oder -routinen angesteuert werden.

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