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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem als integrierten Chip ausgeführten Mikroprozessor, einer Funkkommunikationseinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten zu einer Steuerungszentrale und/oder zum drahtlosen Empfangen von Daten von der Steuerungszentrale, und mit mindestens einem von dem Mikroprozessor ansteuerbaren Aktor oder mindestens einem von dem Mikroprozessor auslesbaren Sensor.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung von Verbrauchern mit einem solchen elektronischen Gerät.
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Die drahtlose Steuerung von Verbrauchern mit einem solchen elektronischen Gerät wird in der Hausautomatisierungstechnik vielfältig genutzt. Dabei kommunizieren Sensoren und Aktoren entweder direkt oder über eine Steuerungszentrale miteinander, um Gebäudeprozesse zu automatisieren. Auf diese Weise kann bspw. eine Lichtsteuerung, Heizungssteuerung und Einbruchsalarmierung realisiert werden.
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US 5,956,462 A offenbart ein System zur Energiekontrolle in einem Haushalt mit einem Boiler zur Erhitzung von Wasser. Die Wassertemperatur wird mit Hilfe eines Feldes von Temperatursensoren erfasst und über Funk an eine Zentrale übermittelt.
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CN 203230926 U beschreibt einen drahtlosen Controller für ein Bewässerungsventil mit einem Mikroprozessor. Auch hier ist ein separater Temperatur- und Feuchtigkeitssensor und eine Wetterstation vorhanden.
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CN 202676308 U offenbart ein Gerät zur Überwachung der Temperatur eines isolierten Kontaktes eines Hochspannungs-Schaltschrankes. Dabei ist ebenso ein separater Temperatursensor an dem zu überwachenden isolierten Kontakt angeordnet und mit einem Mikroprozessor verbunden.
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In
CN 101320989 A ist ein integriertes Schaltungsmodul mit einer Funkeinheit, einem Mikroprozessor für einen programmierbaren Gitterarray (Field Programmable Gate Array FPGA) integriert. Der programmierbare Gate-Array-Chip ist mit einem Dämpfungscontroller, einem Analog-Digital-Wandler, einer Frequenzsteuerung, einem Temperaturerfassungscontroller sowie einem Funkfrequenzschaltcontroller ausgestattet. Der Temperaturerfassungscontroller wird mit einem separaten externen Temperatursensor verbunden, der in der Nähe des Spannungsverstärkers angeordnet ist.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes elektronisches Gerät und ein verbessertes Verfahren zur Steuerung von Verbrauchern mit einem solchen elektronischen Gerät zu schaffen, bei dem auf möglichst einfache und zuverlässige Weise eine Temperaturüberwachung integriert ist.
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Die Aufgabe wird mit dem elektronischen Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Für ein gattungsgemäßes elektronisches Gerät wird vorgeschlagen, dass der Mikroprozessor einen integrierten Temperatursensor hat, der an sich zur Überwachung der Betriebstemperatur des Mikroprozessors und zur Steuerung des Betriebsverhaltens des Mikroprozessors in Abhängigkeit von der mit dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur vorgesehen ist. Der Mikroprozessor hat ein Steuerungsprogramm, das zum Auslesen der von dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur und zum Ansteuern des Aktors des Geräts und/oder zum drahtlosen Übertragen der erfassten Temperatur zusammen mit ausgelesenen Daten des Sensors an die Steuerungszentrale eingerichtet ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass der in einem Mikroprozessor zur Überwachung der Temperatur des Mikroprozessors integrierte Temperatursensor bei einem solchen elektronischen Gerät an sich bestimmungswidrig genutzt werden kann, um die Betriebstemperatur des elektronischen Geräts selbst bzw. seiner Umgebung zu bestimmen und diese Temperatur für weitere Steuerungsaufgaben zu nutzen. Bei einem mit einer Steuerungszentrale kommunizierenden und zur Steuerung und Überwachung genutzten Mikroprozessor wird nämlich, anders als bei einem Dauerrechenbetrieb, die an sich verfügbare Rechenkapazität und Leistung des Mikroprozessors nur zu einem sehr geringen Teil genutzt, sodass dieser sich nur unwesentlich erwärmt. Mit dem integrierten Temperatursensor kann somit überraschend die Umgebungstemperatur erfasst werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass die von dem integrierten Temperatursensor gemessene Temperatur sehr gut mit der Umgebungstemperatur korreliert, wenn eine längere Zeitkonstante für eine Temperaturänderung in Kauf genommen wird.
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Unter einem Dauerrechenbetrieb wird eine Prozesserauslastung von mehr als 50% ermittelt über eine Zeit von mindestens 10 Minuten verstanden. Der Prozessor wird vorzugsweise dauerhaft mit einer Prozessorauslastung von weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt von weniger als 10% betrieben. Die genannten Grenzwerte werden dabei nicht, oder nur temporär für weniger als 100 Sekunden überschritten. Im Dauerbetrieb gibt der Mikroprozessor somit keine oder nur vernachlässigbare Verlustwärme/Verlustenergie ab, die jedenfalls nicht zur Temperaturerhöhung des Mikroprozessors führt.
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Es wird somit die von dem integrierten Temperatursensor des Mikroprozessors gemessene Temperatur zur Bestimmung der Umgebungstemperatur genutzt und hierfür der Mikroprozessor mit einer so geringen Auslastung betrieben, dass der Mikroprozessor selbst die von dem integrierten Temperatursensor erfasste Temperatur nicht beeinflusst. Die so gemessene Umgebungstemperatur kann dann für Steueraufgaben genutzt werden, die den Mikroprozessor selbst und seine Kühlung nicht betreffen.
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Bei einem vorzugsweise batteriebetriebenen elektronischen Gerät der eingangs genannten Art in Form eines Schalt- oder Dimmaktuators mit einem Netzstecker für eine Steckdose und mindestens eine mit einem Schaltaktor schaltbare Netzsteckdose tritt häufig das Problem auf, dass der Übergangswiderstand zwischen dem Netzstecker und der Steckdose relativ groß ist. Dies führt zu einem Spannungsabfall und zu einer Belastung des elektronischen Geräts, welche zu einer relativ starken Erwärmung führt. Das Problem wird dann verstärkt, wenn das elektronische Gerät sehr kompakt aufgebaut ist.
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Um nun eine solche Überwärmung zu verhindern, die nicht aus einer höheren Betriebstemperatur des Mikroprozessors selbst herrührt, sondern von einem Spannungsabfall und höheren Stromfluss an den Netzanschlüssen bedingt ist, lässt sich der Schalt- oder Dimmaktuator abschalten oder dimmen, wenn ein Überschreiten eines Grenzwertes erkannt wird. Der vorgegebene Grenzwert wird hierbei mit der von dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur, die mit dem Mikroprozessor mit Hilfe eines Steuerungsprogramms für den Mikroprozessor ausgelesen wird, verglichen.
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Damit ist es ohne zusätzliche Hardware unter einfacher Nutzung des in einem Mikroprozessor bereits integrierten Temperatursensors möglich, Überlastungen eines elektronischen Geräts zu verhindern.
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Ein gattungsgemäßes elektronisches Gerät kann auch einen manuell betätigbaren Schalter oder Taster als Sensor zum Aussenden eines Schaltsignals bei Betätigung des Schalters oder Tasters und einen Schaltaktor zum Anschluss an eine Netzspannungsversorgung und an einen mit Netzspannung wahlweise versorgbaren Verbraucher haben. Ein solcher funkgesteuerter Schalter oder Taster ist an sich als Aufputz- oder Unterputz-Funkschalter bekannt. Auch hier kann eine durch höheren Spannungsabfall aufgrund schlechter Kontakte oder durch einen übermäßigen Stromfluss herrührende starke Erwärmung des elektronischen Geräts mit Hilfe des integrierten Temperatursensors erkannt werden. Wiederum kann dieser Überlastung durch Ausschalten oder Dimmen des elektronischen Geräts bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur durch gemessene Temperatur entgegengewirkt werden.
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Das elektronische Gerät kann auch als funkfernsteuerbarer Schalt- oder Dimmaktuator mit einem Schaltaktor zum Anschluss an eine Netzspannungsversorgung und an einen mit Netzspannung in Abhängigkeit von einem drahtlos empfangenen Steuersignal wahlweise versorgbaren Verbraucher ausgebildet sein. Ein solcher Schalt- oder Dimmaktuator kann z.B. unterputzmontiert und mit Verbrauchern sowie einer Netzspannungsversorgung verdrahtet werden. Dieser Schalt- oder Dimmaktuator hat zur Funkfernsteuerung wiederum einen Mikroprozessor mit einem integrierten Temperatursensor zur Erfassung der Betriebstemperatur des Mikroprozessors. Auch für ein solches elektronisches Gerät kann die von dem integrierten Temperatursensor des Mikroprozessors erfasste Temperatur genutzt werden, um den Betriebszustand des elektronischen Geräts selbst und nicht nur des Mikroprozessors z.B. bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes genutzt werden.
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Bei einem der vorbeschriebenen elektronischen Geräte ist vorzugsweise ein Steuerungsprogramm des Mikroprozessors so eingerichtet, dass bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenztemperaturwertes durch die mit dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur der Schaltaktor ohne weitere Beeinflussung des Betriebs des Mikroprozessors mit dem darauf ablaufenden Steuerprogramm ausgeschaltet wird. Unter Ausschalten wird auch ein Dimmen, d.h. eine Leistungsreduktion verstanden.
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Wenn mit Hilfe des integrierten Temperatursensors eine übermäßige Erwärmung des elektronischen Geräts durch Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes erfasst wird, führt dies nicht dazu, dass der Mikroprozessor, wie an sich aufgrund der Zweckbestimmung des integrierten Temperatursensors vorgesehen, abgeregelt wird. Der Betrieb des Mikrocontrollers mit dem darauf ablaufenden Steuerprogramm wird beibehalten und es wird lediglich der Schaltaktor abgeschaltet bzw. gedimmt, um die Leistungsaufnahme eines angeschlossenen Verbrauchers zu reduzieren. Damit ist sichergestellt, dass das elektronische Gerät weiterhin vollumfänglich in die Steuerung mit eingebunden ist und nach hinreichender Abkühlung ein Wiedereinschalten des Schaltaktors vorgenommen werden kann. Dies lässt sich dann bei regelmäßiger Kontrolle durch die Steuerungszentrale auf einfache und sichere Weise durch das Steuerprogramm der Steuerungszentrale gewährleisten.
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Der Schaltaktor des elektronischen Geräts kann als Relais oder als elektronischer Thyristor- oder Transistorschalter oder als Dimmer zur Leistungsanpassung ausgebildet sein. Unter einem Schaltaktor ist somit nicht nur ein Ein-/Ausschalter, der elektronisch ansteuerbar ist, sondern auch ein Dimmer zu verstehen.
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Ein gattungsgemäßes elektronisches Gerät kann auch einen Bewegungssensor haben. Das Steuerungsprogramm des Mikroprozessors ist bei dieser Variante zum drahtlosen Übertragen einer Bewegungsmeldung sowie zum drahtlosen Übertragen der mit dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur ausgebildet. Auch hier hat sich gezeigt, dass die vom integrierten Temperatursensor gemessene Temperatur bei hohen Zeitkonstanten proportional zur Außentemperatur des elektronischen Geräts ist. Es ist damit aufgrund der Tatsache, dass ein Mikroprozessor sich im bestimmungsgemäßen Betrieb für eine Hausautomatisierungsanlage nur unwesentlich erwärmt, überraschend möglich, mit Hilfe des zur Bestimmung der Betriebstemperatur des Mikroprozessors vorgesehenen Temperatursensors die Umgebungstemperatur zu messen. Dieser gemessene Temperaturwert kann dann zur weiteren Nutzung drahtlos z.B. an eine Steuerungszentrale übermittelt werden.
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Unter einer Steuerungszentrale ist nicht nur eine Hauptzentrale zu verstehen. Es sind auch Steuerungszentralen mit reduzierten Steuerungsmöglichkeiten denkbar, wie bspw. im einfachsten Fall eine Fernsteuerung mit Anzeige oder einfach nur eine Komponente eines Hausautomatisierungssystems visualisierende Statusanzeige.
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Ein gattungsgemäßes elektronisches Gerät kann auch als Öffnungszustand-Erkennungskontakt zur Erfassung des Öffnungszustands einer benachbarten Tür oder eines benachbarten Fensters ausgebildet sein. Ein solcher Öffnungszustand-Erkennungskontakt kann bspw. magnetisch in Verbindung mit einem relativ beweglich hierzu angeordneten Dauermagneten oder optisch mit einer Reflexlichtschranke vorzugsweise unter Verwendung von Infrarotlicht ausgeführt sein. Das Steuerungsprogramm des Mikroprozessors ist dann zum drahtlosen Übertragen eines Alarmsignals in Abhängigkeit von dem mit dem Öffnungszustand-Erkennungskontakt erfassten Öffnungszustand, sowie zum drahtlosen Übertragen der mit dem integrierten Temperatursensor erfassten Temperatur ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Blockdiagramm eines elektronischen Geräts in Form eines Schaltaktuators mit daran angeschlossenem Verbraucher in drahtloser Kommunikation mit einer Steuerungszentrale;
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2 – Blockdiagramm eines elektronischen Geräts in Form eines Funkschalters mit Schaltaktor zum Anschluss an eine Netzspannungsversorgung und einen Verbraucher;
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3 – elektronisches Gerät in Form eines Bewegungsmelders;
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4 – elektronisches Gerät in Form eines Öffnungszustand-Erkennungskontaktes.
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1 lässt ein Blockdiagramm eines elektronischen Geräts 1 in Form eines Schaltaktuators erkennen. Der Schaltaktuator hat einen Netzstecker 2 zum Einstecken in eine Netzsteckdose mit Steckkontakten 3. Weiterhin hat der Schaltaktuator eine Steckdose 4 für den Anschluss eines Verbrauchers 5 durch Einstecken eines Steckers 6 des Verbrauchers 5 in die Steckdose 4.
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Der Verbraucher 5, wie bspw. eine Lampe, wird mit Hilfe eines in das elektronische Gerät 1 integrierten Schaltaktors 7 mit Netzspannung (z.B. Wechselspannung von 220 V) versorgt. Hierzu wird der Schaltaktor in Form eines Relais oder eines Dimmers oder einer elektronischen Thyristorschaltung oder ähnliches durch einen Mikroprozessor 8 angesteuert. Der Mikroprozessor 8 ist bspw. ein auch als Mikrocontroller einsetzbarer Baustein in Form eines Cortex M3 Prozessors. Geeignet ist bspw. ein Mikroprozessor der Baureihe EFM32G200. Der Mikroprozessor hat einen Prozessorkern 9, einen integrierten Speicher 10, der unter anderem für das Abspeichern eines Steuerungsprogramms genutzt wird sowie eine Kommunikationsschnittstelle 11, die mit einer Funkkommunikationseinheit 12 verbunden ist, um Daten bidirektional drahtlos mit einer Steuerungszentrale 13 auszutauschen.
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Der Mikroprozessor 8 hat weiterhin eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 14, an die der Schaltaktor 7 angeschlossen ist und über die der Schaltaktor angesteuert wird.
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Der Mikroprozessor 8 hat weiterhin einen integrierten Temperatursensor 15. Dieser kann bspw. ein Teil eines Analog-Digital-Wandlers sein. Dieser in die integrierte Schaltung des Mikroprozessors 8 implementierter Temperatursensor 15 ist an sich zur Überwachung der Betriebstemperatur und zur entsprechenden Anpassung des Betriebsverhaltens des Mikroprozessors 8 vorgesehen und in diesen implementiert. Die von dem integrierten Temperatursensor 15 erfasste Temperatur lässt sich aber als Parameterwert auslesen und weiter verarbeiten.
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Das elektronische Gerät 1 ist wie dargestellt relativ kompakt in einem Isolierstoffgehäuse 16 realisiert. Der mindestens eine Stecker 2 und die mindestens eine Steckdose 4 sind dabei einstückig mit dem Isolierstoffgehäuse 16 ausgeformt. Wenn nun die Steckkontakte der Netzsteckdose einen zu geringen Kontaktdruck durch ausgeleierte Federbrückung oder schlechte Kontaktbedingungen durch Oxidation der Kontakte bereitstellt oder dasselbe an der Anschlusssteckdose 4 des elektronischen Geräts vorkommt, dann tritt eine stärkere Erwärmung des kompakten elektronischen Geräts 1 auf. Diese kann ungünstigen falls zum Ausfall der Elektronik führen.
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Daher wird der integrierte Temperatursensor 15 des Mikroprozessors 8 genutzt, um mit Hilfe der mit diesem integrierten Temperatursensor 15 gemessenen Temperatur den Betriebszustand des elektronischen Geräts 1 selbst und nicht nur des Mikroprozessors 8 zu überwachen. Wenn nun eine in dem Speicher 10 abgelegte vorgegebene Grenztemperatur durch die gemessene Temperatur überschritten wird, dann wird ein Schaltsignal an den Schaltaktor 7 gesendet, um den angeschlossenen Verbraucher 5 abzuschalten oder zumindest zu dimmen. Damit wird in Abhängigkeit von der mit dem integrierten Temperatursensor 15 gemessenen Temperatur die Netzleistung reduziert, welche von dem Netzstecker 2 an den Verbraucher 5 mit Hilfe des elektronischen Geräts übertragen wird.
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2 lässt eine optionale Ausführungsform eines elektronischen Geräts 1 in Form eines Funkschalters erkennen. Bei dieser Ausführungsform sind Leiteranschlussklemmen 17 zum direkten Anschluss der Versorgungsleitungen eines Verbrauchers bzw. von Netzleitungen in das Isolierstoffgehäuse 16 integriert. Optional können allerdings auch an Stelle der integrierten Netzanschlussklemmen Stecker und Steckdosen der vorherbeschriebenen Art in das Isolierstoffgehäuse eingebaut sein.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein weiterer Anschluss für einen Schalter oder Taster als Eingabegerät vorhanden, um durch Schließen oder Öffnen des Tasters oder bzw. Schalters 18 ein Schaltsignal zu erzeugen, das dann über Funk an eine Zentrale 13 übergeben wird. Nach Abarbeitung eines dortigen Steuerprogramms kann dann gegebenenfalls wieder ein Schaltsignal zurückgesendet werden, um den Schaltaktor 7 zu betätigen. Denkbar ist aber auch, dass das Funksignal des Schalters direkt an das elektronische Gerät 1 zurück gerichtet ist, sodass dieser sich selbst ansteuert, um einen Schaltaktor 7 zu betätigen.
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Auch hier wird die Temperatur mit Hilfe des integrierten Temperatursensors 15 überwacht, um einen ausgelesenen Temperaturwert zusammen mit Sensordaten, d.h. z.B. in Schaltdaten des Tasters 18 an die Steuerungszentrale 13 zu übertragen und mit Hilfe eines geeigneten Steuerprogramms bei Überschreiten eines Grenzwertes den Schaltaktor 7 auszuschalten oder zumindest zu dimmen.
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3 lässt ein Blockdiagramm eines elektronischen Geräts 1 in Form eines Bewegungsmelders 19 erkennen, der einen Sensor bildet. Mit Hilfe des Bewegungssensors 19 kann eine Bewegung in der Umgebung des elektronischen Geräts 1 erkannt und drahtlos als Alarmmeldung an die Zentrale mit Hilfe der Funkkommunikationseinheit 12 und der Steuerung des Mikroprozessors 8 geschickt werden. Bei dieser Ausführungsform eines elektronischen Geräts 1 als Sensor lassen sich nicht nur diese Sensordaten übermitteln. Vielmehr kann der in dem Mikroprozessor 8 integrierte Temperatursensor 15 genutzt werden, um die Außentemperatur zu überwachen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Zeitkonstante ausreichend ist, um bei den sich üblicherweise langsam ändernden Außentemperaturen mit Hilfe des integrierten Temperatursensors 15 die Außentemperatur zu messen. Dies gelingt überraschend dadurch, dass ein solcher in einen Bewegungsmelder integrierter Mikroprozessor 8 nur unwesentlich belastet ist und damit kaum Leistung verbraucht. Der Mikroprozessor 8 erwärmt sich damit nicht nennenswert. Dies hat zur Folge, dass der zum Messen der Betriebstemperatur des Mikroprozessors 8 vorgesehene integrierte Temperatursensor 15 auf überraschend einfache und zuverlässige Weise zur Messung der Außentemperatur genutzt werden kann. Hierzu werden bislang immer zusätzliche separate externe Temperatursensoren eingesetzt, die an sich z.B. als PTC-Glieder preiswert sind und an die verfügbaren Analog-Digital-Wandler eines Mikroprozessors angeschlossen werden können. Damit ist aber zusätzlicher Verdrahtungsaufwand sowie erhöhter Raumbedarf verbunden. Dies kann erfindungsgemäß vermieden werden.
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4 lässt eine ähnliche Ausführungsform eines elektronischen Geräts 1 mit einem Öffnungszustand-Erkennungskontakt 20 erkennen. Ein solches elektronisches Gerät 1 ist überaus kompakt aufgebaut und wird neben einem zu überwachenden Fenster oder neben einer zu überwachenden Tür 21 positioniert, um durch magnetische oder optische Kopplung den Öffnungszustand des Fensters oder der Tür erkennen und drahtlos an eine Steuerungszentrale 13 übermitteln zu können. Wiederum wird unter einer Steuerungszentrale 13 nicht nur ein zentrales mit einem zentralen Steuerungsprogramm versehenes Gerät verstanden, sondern gegebenenfalls auch eine Vernetzung mehrerer elektronischer Geräte 1, die zur Gebäudeautomatisierung zusammen eingesetzt werden und als schwarmintelligentes System arbeiten.
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Auch bei der Variante eines Öffnungszustand-Erkennungskontaktes werden nicht nur die gemessenen Sensordaten übermittelt. Vielmehr kann auch hier die Außentemperatur in der Umgebung des elektronischen Geräts 1 mit Hilfe des integrierten Temperatursensors 15 erfasst und zur weiteren Nutzung weitergeleitet werden. Dies gelingt wiederum durch die Tatsache, dass der Mikroprozessor 8 für die Überwachungsaufgabe kaum Leistung benötigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5956462 A [0004]
- CN 203230926 U [0005]
- CN 202676308 U [0006]
- CN 101320989 A [0007]
