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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Messdaten sowie zum Kommunizieren mit einer Zentrale mittels einer drahtlosen Kopplung. Die Vorrichtung ist vorgesehen zum Betreiben in einer Heimautomation. Eine solche Heimautomation wird zunächst betrieben mit Sensoren, die verschiedenste Umgebungsparameter erfassen können wie beispielsweise Bewegung, Windgeschwindigkeit/-richtung, Temperatur uvm. Ferner lassen sich mittels vielfältiger Aktoren beispielsweise Rollläden an Fenstern sowie Thermostatventile an Heizkörpern öffnen und schließen. Die hierfür erforderliche Logik stellt üblicherweise eine Zentrale bereit. Bei der nachfolgend aufgezeigten Vorrichtung handelt es sich gemäß den genannten Komponenten einer Heimautomation um einen Sensor.
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Heimautomation wird auch als Haussteuerung (engl. „SmartHome“) bezeichnet. Eine Heimautomation weist regelmäßig eine erste zentrale Einheit auf, die hier als Zentrale bezeichnet wird. Es können auch zentrale Einheiten vorgesehen sein, die hierarchisch miteinander gekoppelt sind. Ferner lassen sind mit einer Zentraleinheit Komponenten koppeln; wie Sensoren und Aktoren. Derartige Kopplungen sind üblicherweise als drahtlose Verbindungen ausgeführt. Die Komponenten können für einen autonomen Betrieb eingerichtet sein und sowohl die Mittel zur drahtlosen Kommunikation sowie eine autonome Energieversorgung aufweisen (z.B. Batterie o.ä.). Ferner weisen solche Komponenten minimal Bedienelemente auf; wie beispielsweise lediglich einen Taster.
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Die Daten, die die Sensoren mittels der drahtlosen Kommunikation der Zentrale bereitstellen, werden hier zunächst als Messdaten bezeichnet. Grundsätzlich kommunizieren die Komponenten mittels sogenannter Transportdaten gemäß einem Transportprotokoll. Die Messdaten sind demnach in den Transportdaten enthalten. Ferner sind in den Transportdaten sogenannte Anweisungen enthalten. Es ist vorgesehen, dass die Anweisungen gemäß dem Transportprotokoll (Spezifikation) den Komponenten insofern bekannt sind, dass solche Anweisungen eine technische Reaktion auf der Gegenseite bewirken können. Mit anderen Worten handelt es sich bei Transportprotokoll um eine datentechnische Schnittstelle, die vordefinierte Anweisungen umfasst sowie unbestimmte Informationen enthalten kann. Zu diesen unbestimmten Informationen zählen unter anderen die Messdaten, weil in den Messdaten beliebige Daten enthalten sein können, der Größe und dem Umfang nach.
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Besagte Komponenten können platzsparend ausgebildet sein. Aus der
WO 2015/040144 A1 ist beispielsweise ein Detektor bekannt, der signalisiert ob ein Fenster geöffnet oder geschlossen ist. Der Detektor ist derart flach ausgeführt, dass sich dieser zwischen Fenster und dessen Rahmen anordnen lässt.
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Es sind diverse Komponenten bekannt, die unterschiedliche Funktionen von Detektoren und/oder Sensoren aufweisen. Mit diesen Funktionen lassen sich Zustände wie Dämmerung/Licht, Temperatur, Wind (-stärke/-richtung), Bewegung usw. detektieren. Ferner kann eine Komponente als Aktor fungieren und beispielweise einen Schalter in einer Steckdose betätigen. Ein Aktor kann auch ein Leuchtmittel sein, dass so eingestellt wird, dass es in einer eingestellten Farbe, Helligkeit und/oder mit einer Farbtemperatur leuchtet.
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Die drahtlose Kommunikation bietet die Möglichkeit der flexiblen Ortswahl bei der Installation der Komponenten. Die drahtlose Kommunikation kann für kurze Distanzen ausgebildet sein (bis ca. 30m im Innenbereich). Es sind Lösungen bekannt, die mittels WLAN (IEEE 802.11) kommunizieren. Andere nutzen DECT oder ITU-T G.9959. Mittels der Kommunikation lässt sich eine Komponente mit einer Zentrale koppeln. Mit anderen Worten wird bei der Heimautomation ein Netzwerk ausgebildet.
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In der Zentrale fließen die Informationen und/oder Daten zusammen, die die Komponenten bereitstellen. In selbiger lassen sich verschiedene Auswertungen vornehmen und Szenarien anlegen, mittels derer Aktoren betätigt werden z.B. für das Betätigen von Rollläden, Verschattungen, Berieselungen, Beleuchtungen, Heizungen usw. Mit anderen Worten stellt die Zentrale einen überwiegenden Teil der Logik bereit, die für die Heimautomation benötigt wird. Die Sensoren liefern Eingangswerte und die Aktoren reagieren auf Kommandos.
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Bezüglich der Kommunikation, dem Liefern von Eingangswerten und dem Ausgeben von Kommandos haben sich bereits technische Lösungen etabliert, die hier unter dem Begriff des Protokolls oder des Übertragungsprotokolls zusammengefasst werden. Solche Protokolle heißen z.B. „REST-API“, „ZigBee“ und „Z-Wave ®“. Der Fachwelt der Heimautomation sind diese Begriffe geläufig. Für den Anwender der Heimautomation ist lediglich beachtlich, dass er -dem Protokoll nach- zu seiner Zentrale passende Komponenten verwendet. Der Vorteil der genannten Protokolle ist, dass diese eine Art Norm oder Standard vorgeben, sodass es für die Zentrale nur maßgeblich ist, dass eine Komponente den Standard unterstützt oder nicht. Es sind zentrale Einheiten bekannt, die mehrere Standards unterstützen können.
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Auf der Seite der Zentrale stellt das Protokoll eine Schnittstelle (API=engl. „application interface“) für angrenzende Software bereit. So lassen sich mittels dieser Schnittstelle und Programmierwerkzeugen Funktionen schaffen, die der Zentrale ein logisches Verhalten verleihen. Dieses logische Verhalten ist zumeist so angelegt, dass einem Bediener zwar weitestgehend entgegengekommen wird, dieser aber die entscheidenden Einstellungen noch selbst vornehmen oder ändern kann. Zu diesem Zweck wird dem Bediener üblicherweise eine Bedienoberfläche bereitgestellt.
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Bezüglich der entscheidenden Einstellungen folgen nunmehr Beispiele. Im ersten Fall soll auf die Dämmerung reagiert werden mittels eines Dämmerungssensors (Sensor) und mindestens eines Rollladens (Aktor). Die Komponenten sind Bestandteile der Heimautomation und ließen sich mittels der Bedienoberfläche koppeln. Allerdings ist die Frage, in welchem Zustand der Dämmerung (Helligkeit) der Rollladen schließen oder öffnen soll. Möglicherweise soll das abends und morgens unterschiedlich sein. D.h., dass der Bediener letztlich in der Lage ist oder sein sollte hier eine Feinabstimmung vorzunehmen, auf die es ankommt, damit seinen Bedürfnissen entsprochen wird. In einem anderen Fall geht es um eines elektrisches Heizgerät, das mittels eines Temperatursensors gesteuert werden soll. Hier könnte eine schaltbare Steckdose zum Einsatz kommen. Neben der Einstellung der Umschalttemperaturen (z.B. zwei aufgrund der zu bevorzugenden Schalt-Hysterese) kann der Bediener möglicherweise das Schaltverhalten wählen, ggf. aus vorgegebenen. In einem letzten Fall soll in eine Steuerung der untertägige Stand und Neigungswinkel der Sonne einfließen, der sich unter Hinzunahme von Datum, Uhrzeit und ggf. des Standortes bestimmen lässt. Aus den Beispielen lässt sich entnehmen, dass Schwellwerte eine Rolle spielen, aber auch Funktionen die eine Logik bereitstellen (z.B. Schalthysterese, Kalender) und die ggf. auf Datenbanken oder auf Schnittstellen im Internet zurückgreifen können.
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Bezüglich der Kategorie von Sensoren (Temperatur, Dämmerung usw.) ist bereits ein breites Spektrum vorhanden. Im Anwendungsgebiet der Heimautomation sind bislang solche Sensoren, die Messdaten zur Luftqualität liefern, erst seit Neuestem bekannt (z.B. „Z-Wave PM2.5 Überwacher“ der Firma „MCO Home“). Ferner sind Komponenten (z.B. „HPM Series - Particle Sensor“ Firma „Honeywell“) erwerbbar, die zwar Messdaten zur Luftqualität erheben können, aber für die Heimautomation nicht eingerichtet sind. Zumindest von Letzteren ist bekannt, dass deren Lebensdauer begrenzt ist.
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Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, die im Stand der Technik identifizierte Lücke zu schließen beziehungsweise die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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Es wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind Ausführungsformen der aufgezeigten Ausgestaltungen dargestellt.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist eine Vorrichtung vorgeschlagen zum Betreiben in einer Heimautomation eingerichtet zum Erfassen von Messdaten sowie zum Kommunizieren mit einer Zentrale mittels einer drahtlosen Kopplung. Die Vorrichtung weist ein Messelement sowie ein Steuerelement auf. Das Steuerelement ist eingerichtet, die drahtlose Kopplung herzustellen, und ferner eingerichtet, mittels der drahtlosen Kopplung Transportdaten gemäß einem Transportprotokoll zu empfangen und/oder zu versenden. Die Transportdaten sind eingerichtet, mindestens eine Anweisungen und/oder mindestens eine Information zu übertragen, wobei eine Anweisung vordefiniert ist und eine Information unbestimmt ist, wobei die Messdaten eine Information sind. Das Steuerelement ist ausgebildet und somit die Vorrichtung, mindestens eine Anweisungen zu empfangen und zu verarbeiten und/oder ist ausgebildet mindestens eine Information, die Messdaten aufweist, zu versenden. Das Steuerelement ist ferner eingerichtet, die Messdaten mittels des Messelements zu ermitteln, und ist ferner eingerichtet für einen zyklischen Betrieb, in dem das Messelement zwischen einem aktiven und einen passiven Zustand wechselt, derart, dass dieser Zustandswechsel eine Verlängerung der Lebensdauer des Messelementes bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung weist das Messelement eine Laserquelle auf und der Zustandswechsel bewirkt ein Ein- beziehungsweise Ausschalten der Laserquelle.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Steuerelement eingerichtet, die Messdaten zeitzyklisch zu erheben und zu versenden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Steuerelement eingerichtet, die Messdaten bei Erreichen und/oder Überschreiten eines Schwellwertes zu versenden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Steuerelement eingerichtet, die Messdaten bei einer Änderung gegenüber dem zuletzt gesendeten Messdaten zu versenden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung weist das Messelement ein Netzteil zur Energieversorgung des Messelementes auf, wobei das Messelement ein Anschluss aufweist zur Energieversorgung eines mit dem Anschluss gekoppelten Verbrauchers, wobei der Verbraucher das Steuerelement ist. D.h. das Steuerelement selbst weist kein Netzteil auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung weist das Messelement einen Eingang auf, der eingerichtet ist, den Zustandswechsel zu bewirken.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Anschluss des Messelementes zur Energieversorgung des Verbrauches derart eingerichtet, dass über einen Zustandswechsel die Energieversorgung des Verbrauches im Wesentlichen konstant ist. D.h. im Wesentlichen deshalb, weil es auf Schwankungen im Bereich von weniger als 10% nicht ankommt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Messelement eingerichtet, mindestens einen Messwert zur Luftqualität bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Messwert zur Luftqualität einer zur Temperatur, zur Luftfeuchte und/oder zur Feinstaubkonzentration, wobei die Temperatur in °C, °F oder °K angegeben ist, die Luftfeuchte in % oder g/m3 und die Feinstaubkonzentration in µg/m3 oder mol/m3.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Messwert zur Feinstaubkonzentration gemäß PM25 und/oder PM100 bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Messwert zur Luftqualität einer gemäß der Norm DIN EN 13779.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Vorrichtung einen Lagesensor auf und ist eingerichtet, zu prüfen, ob eine für den Betrieb des Messelementes erforderliche Lage (waagerecht/senkrecht) gegeben ist bzw. nicht. Es kann vorgesehen sein, dass der Lagesensor die Information dafür bereitstellt, dass ein Betrieb des Messelementes blockiert wird, solange sich das Messelement in einer derartigen Lage befindet, dass es beim Betrieb einen Defekt erleiden würde.
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Der grundsätzliche Vorteil der aufgezeigten Lösung kann darin gesehen werden, dass ein an sich bekanntes Messmittel zur Bestimmung der Luftqualität befähigt wird für das Einsatzgebiet der Heimautomation. D.h., dass die Vorrichtung eine Funktion übernimmt und autonom so bereitstellt, dass dabei Ressourcen geschont werden. Diese Ressourcen sind die Energie zum Betreiben der Vorrichtung, die Verbrauchsmittel (Laserquelle) sowie die Bandbreite der drahtlosen Verbindung zur Zentrale.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen erläutert. Hierzu zeigen:
- 1 Heimautomation inkl. Vorrichtung und Zentrale
- 2 Messelement der Vorrichtung
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In der 1 ist beispielhaft eine Heimautomation 1 gezeigt mit einer Zentrale 3 und mit einem Sensor, nämlich mit der Vorrichtung 2 sowie mit drei Aktoren 4. Zwischen der Zentrale 3 und der Vorrichtung 2 ist eine drahtlose Kopplung 5 ausgebildet zum Senden 13 und zum Empfangen 14 der Transportdaten. Ein solche drahtlose Kopplung 5 ist gleichermaßen zwischen der Zentrale 3 und den Aktoren 4 jeweils vorgesehen, was hier durch einen Pfeil angedeutet ist.
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Die Vorrichtung 2 weist ein Steuerelement 6 sowie ein Messelement 7 auf. Das Steuerelement 6 übernimmt die Aufgabe, zunächst mit der Zentrale 3 mittels der drahtlosen Kopplung 5 zu kommunizieren (Senden 13, Empfangen 14) und zudem das Messelement 7 hinsichtlich dessen Betriebsweise zu beeinflussen, wozu zählen kann: ein Ein- bzw. Ausschalten des Messelement 7 sowie/oder ein Aktivieren oder Deaktivieren des selbigen. Letzteres meint, dass sofern es das Messelement 7 zulässt, einen Ruhemodus (engl. Standby) einzunehmen bzw. zu verlassen, kann das durch das Steuerelement 6 veranlasst werden. Ein solcher Ruhemodus kann beispielsweise dazu genutzt werden, dass im Zuge eines Zustandswechsels eine Laserquelle 9 ein- bzw. ausgeschalten wird.
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Sofern das Messelement 7 zur Messung der Partikelkonzentration in der Luft 8 (Luftqualität) eingerichtet ist, kann dies mittels Laser 9 erfolgen. Das technische Problem ist hierbei, dass ein Dauerbetrieb handelsüblicher Messelemente 7, die mit einer Laserquelle 9 betrieben werden, zeitlich begrenzt ist (z.B. 20.000 Betriebsstunden). Insofern bietet sich die Unterbrechung eines Dauerbetriebes an, aber es bleibt die Frage, wie oft und für wie lange die Messung sinnvollerweise zu unterbrechen ist. Ferner kommt in Betracht, dass das Messelement 7 möglicherweise eine Startzeit benötigt. D.h. eine Betriebszeit, die zwischen dem Einschalten und dem ersten Messen vergehen sollte, damit der erste Messwert auch valide ist. In dem Zuge ist es vorstellbar, in kurzen Zeitabständen mehrere Messungen zu veranlassen, bis eine gewisse Abweichung dieser Messungen untereinander unterschritten ist. Derartiges leisten handelsübliche Messelemente 7 bislang nicht, weil das möglicherweise zu stark vom Einsatzfall anhängen könnte.
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Neben dem, dass das Steuerelement 6 Einfluss auf die Betriebsweise des Messelementes 7 nehmen kann, ist ein Auslesen von Messwerten 15 eine wesentliche Funktion, die das Steuerelement 6 leisten soll. Es geht letztendlich darum, dass die Messwerte 15 zur Luftqualität der Zentrale 3 bereitgestellt werden sollen. Hierfür kann vorgesehen sein, dass das Steuerelement 6 solche Messdaten 15 mittels des Messelementes 7 erhebt und an die Zentrale 3 sendet 13. Es kann sein, dass Gleiches auf eine Anfrage 14 seitens der Zentrale 3 passiert. Denkbar ist ferner, dass ein Intervall eingestellt ist, in dessen zeitlichen Abstand das Steuerelement 6 die Messdaten 15 mittels des Messelementes 7 erhebt und an die Zentrale 3 sendet 13. Zudem sind Kriterien denkbar wie Schwellwerte, deren Prüfung nach das Steuerelement 6 an die Zentrale 3 sende.
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Bezüglich der begrenzten Lebensdauer des Messelementes 7 lässt sich folgende Betrachtung anstellen. In dem Fall, dass die Betriebsdauer auf 20.000 h begrenzt ist, sind das ungefähr 4 Jahre. Sofern die Betriebsdauer auf 50%, 20% oder auf 10% der Tageszeit reduziert wäre, käme es zur Verdoppelung, Verfünffachung bzw. zur Verzehnfachung der möglichen Betriebszeit. D.h., dass ein Betrieb über mehr als 50 Jahre gelingen kann, sofern auch die übrigen Komponenten dafür ausgelegt sind.
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Ein weiterer Gedanke könnte sein, dass es Situationen geben kann in denen sich die Luftqualität mehr oder weniger stark ändert (Tageszeit, Windgeschwindigkeit). Es könnte auch darum gehen, die Konzentration von Pollen, Aerosolen und sonstigen Partikeln zu erkennen. Das wiederum kann von mehr oder weniger kritischen Umgebungsbedingungen abhängen.
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Angesprochen wurde ein möglicher Ruhemodus, den das Messelement 7 nicht zwingend bereitstellen muss. In solchen Fällen wird es notwendig sein, dass Messelement 7 vollständig ein- bzw. auszuschalten. Neben dem, dass mit den besagten Maßnahmen die Lebensdauer des Messelementes 7 auf eine Betriebsdauer aufgeteilt werden kann, lässt sich auch der Energieverbrauch des Messelementes 7 respektive der Vorrichtung 2 reduzieren.
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Zum konkreten Einsatz der Vorrichtung 2 sei hier bespielhaft erwähnt, dass zunächst die Zentrale 3 ein Warnmeldung bewirken könnte (ggf. auch Entwarnung). Derartiges könnte logisch daran gekoppelt sein, ob beispielsweise ein Fenster der Wohnung offensteht.
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Angesprochen wurde bereits, dass Messelemente 7 im Handel erhältlich sind. Diese weisen u.a. zum Auslesen von Messdaten eine Schnittstelle auf, wobei es sich um eine sog. serielle Schnittstelle (UART, RS232) handeln kann. Es kann folglich vorgesehen sein, dass das Steuerelement 6 und Messelement 7 gekoppelt sind mittels dieser Schnittstelle. Kommt die Verwendung des Ruhemodus in Betracht, kann es sein, dass das Messelement 7 zudem einen Anschluss aufweist, mit dem sich die Energieversorgung des Steuerelement 6 einrichten lässt. Konkret könnte es darum gehen, eine zur drahtlosen Datenübertragung sowie zur Messung mittels serieller Schnittstelle ausgebildete Komponente eines sog. Z-Wave-Clients zu koppeln mit einem handelsüblichen Messelement 7.
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Für ein Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren eines Ruhemodus ist beispielhaft ein Eingang 12 vorgesehen. Der Eingang 12 kann als Signaleingang verstanden werden. Ferner kann der Eingang 12 als ein Befehl verstanden werden, der mittels der seriellen Schnittstelle dem Messelement 7 zu übergeben ist.
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Anhand der 2 soll der Aufbau eines Messelementes 7 veranschaulicht werden, das eine Laserquelle 9 aufweist zum Messen der Konzentration von in der Luft 8 enthaltenen Partikeln 16 mittels eines Detektors 17 (z.B. Photodiode). Es wurde erwähnt, dass die Betriebsdauer eines Messelementes 7 begrenzt ist, und es ist davon auszugehen, dass die Betriebsdauer aufgrund der Degradation der Laserquelle 9 begrenzt ist. Für die aufgezeigte Lösung ist es allerdings unerheblich, durch welches Bauteil des Messelementes 7 die Betriebsdauer begrenzt ist.
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Anknüpfend an den vorletzten Absatz wird mit anderen Worten vorgeschlagen ein Z-Wave Feinstaubsensor, aus Kombination eines gängigen Feinstaubsensors (z.B.
https://sensing.honeywell.com/honeywell-sensing-hpm-series-particle-sensorsdatasheet-32322550-c-en.pdf) mit einem Z-Wave Modul. Dabei übernimmt das Z-Wave Modul neben der Smart Home Funkanbindung an eine Smart Home Zentrale auch die Steuerung des Feinstaubsensors. Durch geeignete Wahl des Mess-/Betriebsintervalls des Feinstaubsensors wird die Lebensdauer des Sensors erhöht. Oberhalb der angestrebten Mindestlebensdauer des Feinstaubsensors, kann dem Nutzer auch die Möglichkeit der Konfiguration von anderen Messintervallen ermöglicht werden, um diese den eigenen Bedürfnissen anzupassen und/oder die voraussichtliche Lebensdauer des Sensors weiter zu erhöhen.
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Ferner übernimmt das Z-Wave Modul das Auslesen der Messwerte aus dem Sensor, das „verpacken“ in Z-Wave Command Class konforme Pakete und versendete diese an eine gekoppelte Smart Home Zentrale.
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In Kombination mit einem zusätzlichen Lagesensor zur Erkennung der korrekten Installationsorientierung des Sensors, kann der Nutzer bei falscher Installation gewarnt und der Sensor vor Beschädigung geschützt werden.
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In Kombination mit einem Feuchtigkeitssensor und/oder Temperatursensor wird zum Schutz des Feinstaubsensors, die Messung außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs durch die Steuerung ausgesetzt und erst wieder aufgenommen, wenn die äußeren Bedingungen wieder dem zulässigen Betriebsbereich entsprechen.
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Der Feinstaubsensor benötigt 5V Versorgungsspannung, das Z-Wave Modul allerdings 3,3V. Der Feinstaubsensor (gemäß https://sensing.honeywell.com/honeywell-sensinghpm-series-particle-sensors-datasheet-32322550-c-en.pdf) stellt allerdings einen 3,3V/100mA Ausgang zur Verfügung, mit dem sich das Z-Wave Modul versorgen lässt.
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Soweit von der Konzentration von Partikeln (Feinstaub) die Rede ist, kommen Angaben wie PM10 oder PM100 sowie PM2,5 oder PM25 in Betracht. Dabei handelt es sich um Angaben, bei denen die Partikel ihrer Größe nach gewichtet gemessen werden. Die Größe betrifft den sog. aerodynamischen Durchmesser eines gewichteten Partikels, der bei PM10 (oder PM100) 10 µm beträgt (PM25 = 2,5 µm). Es wird auf hierfür geltende Richtlinien hingewiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heimautomation
- 2
- Vorrichtung / Sensor
- 3
- Zentrale
- 4
- Aktor / Aktoren
- 5
- drahtlose Kopplung
- 6
- Steuerelement
- 7
- Messelement
- 8
- Luft
- 9
- Laserquelle
- 10
- Netzteil
- 11
- Anschluss / Energieversorgung
- 12
- Eingang
- 13
- Senden
- 14
- Empfangen
- 15
- Messdaten
- 16
- Partikel
- 17
- Detektor / Photodiode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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