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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines ToF-Sensorelements, eine Verwendung eines ToF-Sensorelements, eine Sanitären Einrichtung und ein Computerprogramm.
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Es ist eine elektrisch betätigbare Sanitärarmatur mit einem Anwesenheitssensor großer Empfangsreichweite und einem weiteren Sensor mit kurzer Reichweite bekannt, wobei der Anwesenheitssensor mit langer Reichweite dazu ausgebildet ist, eine elektronische Steuereinheit von einem Schlafmodus in einen Arbeitsmodus überzuführen, wenn die Anwesenheit eines Benutzers detektiert wird. Ist dies der Fall, kann der kurzreichweitige Sensor über die Steuereinheit betrieben werden und ggf. die Armatur schalten.
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Gerade dann, wenn ein kurzreichweitiger Sensor, beispielsweise ein so genannter ToF-Sensor (ToF = Time of Flight), etwa in einer Armatur verbaut wird, ist es oftmals gewünscht, dass dieser nicht mit dem Stromnetz verbunden, sondern durch eine Batterie oder einen Akkumulator betrieben wird. Da diese jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer hat bzw. nach einiger Zeit wieder aufgeladen werden muss, ist es wünschenswert und vorteilhaft, den Stromverbrauch möglichst gering zu halten, damit nicht allzu häufig ein Austausch an der Armatur vorgenommen werden muss.
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Denkbar ist es grundsätzlich auch, dass der kurzreichweitige Sensor über eine Batterie oder einen Akkumulator betrieben wird. Dieser kurzreichweitige Sensor kann grundsätzlich auch in der Armatur integriert sein. Es ist aber auch möglich, dass der kurzreichweitige Sensor im weiter gefassten Bereich der sanitären Anlagen, nicht in der Nähe der Armatur, sondern bspw. in der Nähe einer Tür oder an der Decke im Eingangsbereich angeordnet ist.
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Bei einer vorbestimmten Detektion des kurzreichweitigen Sensors kann dieser den Anwesenheitssensor vom Stand-by-Modus in den Betriebsmodus schalten. Der Anwesenheitssensor kann also dann, wenn kein Benutzer zugegen ist, in einem Stand-by-Modus verharren und darauf warten, bis ein Benutzer in den weiter gefassten Bereich der sanitären Anlage gelangt. Ist dies der Fall, wird der Benutzer zunächst vom kurzreichweitigen Sensor detektiert. Über ein entsprechendes Signal des kurzreichweitigen Sensors wird sodann der Anwesenheitssensor in den Betriebsmodus übergeführt und kann nun detektieren, ob der Benutzer ebenfalls im ersten Raumbereich erscheint. Ist dies wiederum der Fall, kann der Anwesenheitssensor einen Schaltvorgang auslösen, mit dem die sanitäre Anlage betrieben oder zumindest zum Betrieb freigegeben wird, bspw. eine Spülung oder der Wasserhahn angeschaltet oder zur Bedienung freigegeben wird, sodass das Wasser zu laufen beginnt oder nun eingeschaltet werden kann.
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ToF-Sensoren benötigen für die Batterieanwendung jedoch zu viel Energie, um kontinuierlich Messungen durchzuführen. Somit wird eine Strategie benötigt, um den Energiebedarf zu reduzieren.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine technisch einfachere Lösung angegeben werden, die energieeffizient und sicher eine Überwachung und/oder Bedienung einer sanitären Einrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren, einer Verwendung, einer sanitären Einrichtung und einem Computerprogramm gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen angeführten Merkmale sind in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können ggf. mit Merkmalen der Beschreibung weiter präzisiert werden.
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Die Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Betrieb eines ToF-Sensorelements zur Erkennung einer Person in einem Nutzungsbereich einer sanitären Einrichtung bei, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen eines ToF-Sensorelements mit mindestens einem Sensor und mindestens einer Sendediode , der mittels einer Kontrolleinheit betreibbar ist,
- - Selektives Betreiben des mindestens einen Sensors oder der mindestens einen Sendediode, wobei nicht erforderliche Funktionen des ToF-Sensorelements deaktiviert oder reduziert werden.
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Das Verfahren dient zur Erkennung einer Person im Nutzungsbereich der sanitären Einrichtung. Bei der sanitären Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Wasserarmatur handeln, z. B. nach Art eines Wasserhahns, einer Dusche, einer Badewanne, etc. Der Nutzungsbereich meint damit insbesondere einen (vorbestimmten) Umgebungsbereich an bzw. um die sanitäre Einrichtung, bei deren Eintritt einer Person (z. B. einer Hand) die sanitäre Einrichtung einsatzbereit geschaltet und/oder (eine Wasserabgabe) aktiviert wird.
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Das Erkennen eines Eintritts der Person in diesen Nutzungsbereich wird hier mit mindestens einem ToF-Sensorelement automatisch ausgeführt. Es ist möglich, dass mehrere ToF-Sensorelemente (als Array miteinander verschaltet) vorgesehen sind. Bevorzugt ist, dass für die Erkennung einer Person im Nutzungsbereich der sanitären Einrichtung genau bzw. nur ein einzelnes ToF-Sensorelement bereitgestellt ist.
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Das ToF-Sensorelement ermöglicht das berührungslose Erfassen der Präsenz bzw. das Messen der Entfernung zu physischen Objekten und Personen. Sie messen die Entfernung zu einem Zielobjekt durch zeitliche Erfassung des Umlaufs von Photonen auf ihrem Weg vom Sensor zum Objekt bzw. zur Person und zurück. Das ToF-Sensorelement kann mit oberflächenemittierenden Lasern mit vertikaler Kavität (VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) und Arrays mit Einzelphotonen-Avalanche-Fotodioden (SPAD: Single Photon Avalanche Photodiode) ausgeführt sein. Das ToF-Sensorelement kann mehrere, beispielsweise drei, Abstandsmodus-Funktionen realisieren, zum Beispiel einen Nah-, Mittel- und Kurzbereichsmodus. Das ToF-Sensorelement kann beispielsweise Entfernungsmessungen mit einer Auflösung von 1 mm [Millimeter] über eine digitale I2C-Schnittstelle, die auch als Steueranschluss der Sensoren dient, an eine übergeordnete Kontrolleinheit melden.
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Das ToF-Sensorelement ist im Wesentlichen eindimensional. Ein einzelnes ToF-Sensorelement kann die Richtung einer Einhand-Geste nicht erkennen; die Erkennung von einfachen Gesten ist jedoch möglich, wie z. B. einfaches/doppeltes Tippen (Hand bewegt sich nach unten, um das ToF-Sensorelement zu berühren) und/oder einfaches/doppeltes Wischen (Hand bewegt sich durch das Erfassungsfeld des ToF-Sensorelements). Um Gesten und Bewegungen in mehreren Dimensionen zu erfassen, können mehrere ToF-Sensoren miteinander gekoppelt werden.
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Das mindestens eine ToF-Sensorelement ist so an bzw. zu der sanitären Einrichtung appliziert, dass dessen Erfassungsfeld in etwa mit dem vorbestimmten Nutzungsbereich übereinstimmt bzw. dieses zumindest teilweise überdeckt.
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Da eine sanitäre Einrichtung oft nur gelegentlich oder sporadisch genutzt wird und eine vollständige Überwachung mit einem solchen ToF-Sensorelement einen ggf. unerwünscht hohen Energieverbrauch zur Folge hat, wird hier vorgeschlagen, zumindest zeitweise (wie beispielsweise für einen Schlafbetrieb) Funktionen und/oder Bauteilkomponenten desToF-Sensorelements zu deaktivieren. Derart ist möglich, den Energiebedarf des ToF-Sensorelements über längere Zeit deutlich zu reduzieren.
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So ist es beispielsweise möglich, dem ToF-Sensorelement vorzugeben, dass sein Erfassungsfeld (zeitweise, bzw. nach einem vergebenen Zeitablauf) selektiv verengt wird. Hierfür können beispielsweise mithilfe von Befehlen einzelne SPADs (Sensoren) im Array des ToF-Sensorelements abgeschaltet werden. Umfasst der SPAD-Array des Näherungssensors beispielsweise 256 Fotodioden in einem 16-x-16-Array, so kann jeder quadratische oder rechteckige Teil des Arrays (ggf. jedoch mindestens 4-x-4-Array) durch derartige Befehle aktiviert werden. Durch die Reduzierung der Anzahl aktiver Sensoren wird das Erfassungsfeld des ToF-Sensorelements reduziert und damit der vom ToF-Sensorelement erfasste Nutzungsbereich verengt.
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„Selektiv einstellbar“ ist der bzw. sind die Sensoren des ToF-Sensorelements insbesondere, wenn diese mittels Befehle über die Kontrolleinheit (ggf. über eine entsprechend vorinstallierte Software, z.B. mit einer externen Datenabfrage und/oder einem externen Schalter) einzelne Sensoren abgeschaltet/angeschaltet werden können und/oder deren Betrieb mit unterschiedlichen Ansteuerungssignalen bzw. - strömen ermöglicht ist.
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Mit anderen Worten bedeutet das ggf., dass nur noch dann eine (vollumfängliche) ToF-Messung durchgeführt wird, wenn sich ein Objekt bzw. eine Person im Erfassungsbereich befindet. Die (erste bzw. initiale) Erkennung, ob sich etwas im Erfassungsbereich befindet, erfolgt mit einem Verfahren, das sehr wenig Energie benötigt. Dies kann durch das selbe ToF-Sensorelement erfolgen, welches schließlich auch für die (vollumfängliche) ToF-Messung verwendet wird. In der Regel besteht ein ToF-Sensorelement aus einem Sensorverbund vieler Einzelsensoren (z.B. SPAD) und einer (einzelnen) Sendediode (z.B. VCSEL, IR- oder Laserdiode). Dadurch, dass man z.B. die Menge der genutzten Einzelsensoren wählen kann und/oder die Stromdauer, Stromstärke und/oder ggf. Pulsmuster der Sendediode (von extern) einstellen kann, können nur einzelne Funktionen (Messungen) ausgeführt werden, was jedoch einen energieärmeren Betrieb ermöglicht. Folglich kann mit wenig Energie zunächst erkannt werden, ob sich etwas im Erfassungsbereich befindet (z. B. während des Schlafbetriebs), die Bewegung selbst kann dann nach Aktivierung weiterer Bauteilkomponenten und/oder Messverfahren (Funktionen) durchgeführt werden (im Wachbetrieb).
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Es ist möglich, dass mindestens eine Funktion des ToF-Sensorelements bei der Anordnung an der sanitären Einrichtung dauerhaft deaktiviert wird. So wäre es beispielsweise möglich, unter Berücksichtigung der Umgebungssituation und/oder der voraussichtlichen Nutzungsintensität bei der Installation des ToF-Sensorelement mittels Befehle über die Kontrolleinheit dauerhaft nicht erforderliche Funktionen abzuschalten. Damit ist ein dauerhaft energiesparsamer Betrieb des ToF-Sensorelements (im Schlaf- und Wachbetrieb) ermöglicht.
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Als ein Einsparpotential wird die Funktion „Entfernungsmessung“ angesehen, die derart zumindest zeitweise (insbesondere während des Schlafbetriebs) deaktiviert ist. Folglich ist es mit dieser deaktivierten Funktion nicht möglich, die Entfernung hin zum ToF-Sensorelement zu ermitteln/berechnen.
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Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung wird darin gesehen, dass zumindest die Anzahl der aktivierten Sensoren unterschiedlich eingestellt ist bzw. eingestellt wird.
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Noch eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn der Betrieb der mindestens einen Sendediode mittels Stromdauer, Stromstärke und/oder Pulsmuster so eingestellt wird, dass diese mit einem geringeren Energiebedarf ihre (reduzierte) Funktionalität über einen vorgegebenen Zeitraum aufrechterhalten kann.
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Hinsichtlich des Umfangs der selektiv aktivierten bzw. deaktivierten Funktionen (und/oder Sensoren) des ToF-Sensorelements kann ein aktueller Ladezustand einer Batterie des ToF-Sensorelements berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere, wenn das ToF-Sensorelement ausschließlich über eine Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Überschreitet der Ladezustand einen ersten Schwellwert, kann mindestens eine weitere Funktion aktiviert werden. Unterschreitet der Ladezustand einen zweiten Schwellwert, kann mindestens eine weitere Funktion deaktiviert werden, wobei der zweite Schwellwert von dem ersten Schwellwert abweichen kann.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass in einem Schlafbetrieb des ToF-Sensorelements ein reduzierter Funktionsumfang und in einem Wachbetrieb ein vollständiger Funktionsumfang des ToF-Sensorelements bereitgestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines ToF-Sensorelements mit mindestens einem, selektiv einstellbaren Sensor zur energieeffizienten Erkennung einer Person in einem Nutzungsbereich einer sanitären Einrichtung vorgeschlagen. Insbesondere wird eine Verwendung vorgeschlagen, die eine Erkennung einer Person in einem Nutzungsbereich einer sanitären Einrichtung ausschließlich mit einem einzelnen oder mehreren ToF-Sensorelement(en) ausführt. Zur weiteren Charakterisierung der Verwendung kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zu den weiteren Aspekten der Erfindung zurückgegriffen werden.
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Noch einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird eine sanitäre Einrichtung mit einem Nutzungsbereich vorgeschlagen, wobei der Nutzungsbereich von mindestens einem ToF-Sensorelement mit mindestens einem Sensor überwacht wird. Dabei ist der Sensor mittels einer Kontrolleinheit selektiv betreibbar, wobei das ToF-Sensorelement (ausschließlich) mit (mindestens) einer Batterie verbunden ist. Zur weiteren Charakterisierung der sanitären Einrichtung kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zu den weiteren Aspekten der Erfindung zurückgegriffen werden. Die sanitäre Einrichtung kann so eingerichtet sein, dass diese das hier vorgeschlagene Verfahren ausführt. Es ist möglich, dass das hier vorgeschlagene Verfahren mit der hier offenbarten sanitären Einrichtung ausgeführt wird.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bewirken, dass die sanitäre Einrichtung die hier angegebenen Verfahrensschritte ausführt. Zur weiteren Charakterisierung des Computerprogramms kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zu den weiteren Aspekten der Erfindung zurückgegriffen werden.
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Die Verwendung eines ToF-Sensorelements bietet sich insbesondere zur Personendetektion bei einem Waschtisch, einem Urinal oder einem WC an. Aufgrund des Energieproblems wurden Lösungen angegeben, die einen Batteriebetrieb ermöglichen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine sanitäre Einrichtung mit einem ToF-Sensorelement, und
- 2 eine Illustration zu einem ToF-Sensorelement.
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1 zeigt eine sanitäre Einrichtung 3 mit einem einzelnen ToF-Sensorelement 1. Hierbei ist die sanitäre Einrichtung 3 nach Art einer Sanitärarmatur ausgeführt, die beispielsweise Wasser in ein davor positioniertes Waschbecken abgeben kann. Das ToF-Sensorelement 1 ist so angeordnet, dass dieses einen vorgegebenen Nutzungsbereich 2 der sanitären Einrichtung 3 überwachen kann und insbesondere erkennt, wenn eine Person (bzw. ein Objekt) in den Nutzungsbereich 3 eindringt. Im dargestellten Beispiel der 1 wird die sanitäre Einrichtung 3 mit einem ToF-Sensorelement 1 (ausschließlich) mit einer Batterie 7 betrieben.
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2 dient der Veranschaulichung eines möglichen Aufbaus eines ToF-Sensorelements 1, welches geeignet ist zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das ToF-Sensorelement 1 weist beispielsweise ein Gehäuse mit einem Innenraum auf, der teilweise von einer transparenten Scheibe 9 begrenzt ist. Im Innenraum sind mehrere Sensoren 4, 5 (z.B. SPAD) und eine (einzelnen) Sendediode 12 (z.B. VCSEL, IR- oder Laserdiode) untergebracht. Das von der Sendediode 12 ausgesendete Licht kann an diversen Grenzflächen (z.B. der Scheibe 9) reflektieren und/oder an dem im Erfassungsbereich außerhalb des ToF-Sensorelements 1 befindlichem Objekt 8. Die reflektierten Strahlen können mit mehreren Sensoren erfasst werden, wobei z. B. erste Sensoren 4 weiter von der Sendediode 12 entfernt angeordnet sind als zweite Sensoren 5. Die Anzahl bzw. Lage der genutzten Sensoren 4, 5 ist wählbar und/oder die Stromdauer, Stromstärke und/oder ggf. Pulsmuster der Sendediode 12 ist einstellbar. Derart können über die ggf. auch nur mittels einer Batterie 7 mit Energie versorgte Kontrolleinheit 6 einzelne Funktionen (F1, F2 bzw. Messungen) bedarfsgerecht ausgeführt oder deaktiviert werden, was einen energieärmeren Betrieb ermöglicht.
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Folglich wurde hier eine Lösung angegeben, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise löst. Insbesondere wurde eine technisch einfachere Lösung angegeben, die energieeffizient und sicher eine Überwachung und/oder Bedienung einer sanitären Einrichtung ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- ToF-Sensorelement
- 2
- Nutzungsbereich
- 3
- sanitäre Einrichtung
- 4
- erster Sensor
- 5
- zweiter Sensor
- 6
- Kontrolleinheit
- 7
- Batterie
- 8
- Objekt
- 9
- Scheibe
- 10
- Sender
- 11
- Ansteuerleitung
- 12
- Sendediode
