Sensorik

Erfassungsprinzipien

Um Anwesenheit in einem Raum festzustellen, bestehen grundsätzlich viele Möglichkeiten; von der Videokamera mit geeigneter Mustererkennung zur Erfassung von Personen über eine Geräuscherfassung bis hin zu Systemen mit klassischen Bewegungssensoren, die eine Veränderung des Eingangssignals an ihrem auf einen Raumbereich ausgerichteten Sensor als Bewegungen interpretieren. Das könnten wiederum eine Videokamera mit einfacher Bildauswertung sein sowie Ultraschallsensoren¹, Passiv-Infrarot-Sensoren oder Hochfrequenz-Sensoren.

Marktübliche Praxis

In marktüblichen Lichtmanagementsystemen für den Innenraum wird überwiegend die Bewegungserfassung mittels Passiv-Infrarot-Sensoren (PIR) genutzt. In einigen Fällen werden Hochfrequenz-Sensoren (HF) verwendet. Die akustische Anwesenheitserfassung kommt gelegentlich zusätzlich zu einem der vorgenannten Sensoren in Sanitärbereichen und Treppenhäusern zum Einsatz, z. B. in Seniorenheimen, wenn eine reine Bewegungserfassung zu unsicher ist. Die weiteren Optionen kommen nur in Spezialanwendungen zum Einsatz.

Sensor, Steuergerät und Schnittstellen

Es ist vom jeweiligen elektronischen Steuergerät abhängig, ob es nur den Erfassungsbereich eines einzelnen Sensors auswertet oder ob es eine Erweiterung des Erfassungsbereiches oder eine Einteilung des Raumes in mehrere Bereiche mittels der Kombination mehrerer Sensoren ermöglicht. Die Kommunikation zwischen Sensor und Steuergerät ist in der Regel systemspezifisch. Eine genormte Schnittstelle für die Anwesenheitssensorik ist im Rahmen des DALI-2-Standards verfügbar.

Anwesenheitserfassung am Arbeitsplatz mit Passiv Infrarot (PIR) Sensoren

Für die Erkennung der Anwesenheit an Arbeitsplätzen in Innenräumen werden in der Regel PIR-Sensoren eingesetzt. Als passive Sensoren zeichnen sie sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau, geringe Wartungsanfälligkeit, relativ kleine Abmessungen, günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis und einen geringen Energiebedarf aus. Darüber hinaus können PIR-Sensoren mit sehr unterschiedlich ausgeprägten Erfassungsbereichen angeboten werden.

Funktionsprinzip

• Sie beruht auf der Erfassung der von Lebewesen als Infrarotstrahlung an die Umwelt abgegebenen Körperwärme. 
• Passiv ist er insofern, als dass er selbst kein Signal aussenden muss, sondern lediglich Signale aus der Umwelt empfängt und auswertet. 
• Die Auswertung des Signals erfolgt mittels einer Segmentierung des Empfängers, wobei jedes Segment die eingehende IR Strahlung eines Raumwinkelbereiches der Umgebung erfasst. 
• Bei Bewegung ändert sich also die IR Einstrahlung in einem oder mehreren Segmenten, was vom Lichtmanagementsystem als Anwesenheit gedeutet wird. 
• Es muss „Sichtkontakt“ zwischen dem Sensor und der sich bewegenden Person bestehen, damit die Bewegung erfasst werden kann. 
• Mit wachsender Entfernung vom Sensor ist eine größere Bewegung erforderlich, um erkannt zu werden. Deshalb wird häufig zwischen dem nahen Bereich der Anwesenheitserkennung (geringe Bewegungen reichen aus) und dem erweiterten Bereich der Bewegungserkennung (Fortbewegung) unterschieden (siehe Abbildung 1).
• Die elektrische Versorgung des PIR Sensors erfolgt in der Regel durch das zugehörige Steuergerät über die Sensorleitung.

Erfassungscharakteristika und Einstellungen

Infrarotstrahlung kann, ähnlich wie optische Strahlung, auf einfache Weise durch Linsen gebündelt oder gestreut und damit fokussiert oder aufgeweitet werden. Auf diese Weise ist es möglich, ganz unterschiedliche Erfassungscharakteristika zu erzeugen, die entsprechend der Raumgeometrie der vorliegenden Anwendung eingesetzt werden. So gibt es eng erfassende Sensoren mit großer Reichweite für Flure, Sensoren für große Montagehöhen in Regallagern mit elliptischer Erfassungsfläche, breit erfassende Sensoren für Büros und Bildungsstätten sowie weitere Ausprägungen der Erfassung. In Einzelfällen sind Erfassungsparameter, wie z. B. Reichweite und Empfindlichkeit, am Sensor einstellbar.

Typische Anwendungen und Positionierung

Typische Anwendungen sind z. B. 

• Büros 
• Bildungsstätten 
• Sporthallen 
• Räume des Gesundheitswesens 
• Lagerbereiche 
• Flure 
• und weitere Bereiche in Innenräumen, in denen sich Personen im Allgemeinen nicht in winterlicher Bekleidung für den Aufenthalt im Freien bewegen.

Bei der Positionierung von IR Anwesenheitssensoren ist darauf zu achten, dass eine ausreichende Erfassung der Anwesenheit gewährleistet ist. Außerdem sollte ihre Funktion nicht durch Störquellen im Erfassungsbereich beeinträchtigt werden.

• So können z. B. unbewegte Wärmequellen zum Einschalten der Beleuchtung führen, wenn diese sich schnell erhitzen oder abkühlen, sie also eine Änderung des vom Sensor empfangenen IR-Signals bewirken. 
• In benachbarten, aber unabhängig zu schaltenden Bereichen kann ggf. die IR Strahlung des Indirektanteils der (Leuchtstofflampen-)Beleuchtung des Nachbarbereiches das automatische Einschalten auslösen. Störungen dieser Art treten jedoch relativ selten auf und lassen sich in der Regel durch eine Abschattung der Störquelle oder eine Änderung der Sensorpositionierung beheben.

Anwesenheitserfassung auf Verkehrswegen mit HF Sensoren

In manchen Anwendungen kann ein IR-Anwesenheitssensor prinzipiell nicht verwendet werden, wenn z. B.

• die in ihrer Bewegung zu erkennenden Personen/Objekte keine IR-Strahlung aussenden, 
• in dem betrachteten Raumbereich starke IR-Signale auftreten, die das zu erfassende Signal überdecken, oder 
• sich der Sensor in einer geschlossenen Leuchte befinden soll.

Funktionsprinzip

• Die Erfassung beruht auf der Aussendung eines Hochfrequenz-Signals (elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich) und dem Empfang von dessen Reflexion. 
• Bewegungen im Raum bewirken eine Veränderung des reflektierten Signals. 
• Es muss nur bedingt „Sichtkontakt“ zwischen dem Sensor und der sich bewegenden Person bestehen, damit die Bewegung erfasst werden kann. 
• In geringem Maße kann das Hochfrequenzsignal Material (z. B. dünne Trockenbauwände) durchdringen, sodass ggf. die Sensoreinstellung angepasst werden muss, um den Erfassungsbereich einzuschränken. 
• Die aktive Aussendung des HF-Signals verursacht einen relativ hohen Versorgungsstrom des Sensors, der durch das Steuergerät oder ggf. durch ein Sensor-Netzgerät bereitzustellen ist.

Erfassungsbereich und Anwendungen

Die Form des Erfassungsbereiches kann weitgehend durch die Abstrahlcharakteristik des HF-Signals bestimmt werden (siehe Abbildung 2). Insbesondere große Reichweiten bei engen Erfassungswinkeln lassen sich mit dieser Technologie sehr gut realisieren. Typische Anwendungen sind z. B.

• Eingangsbereiche und Hausflure, wo zu erwarten ist, dass Personen im Winter noch Mäntel, Mützen und Handschuhe tragen und somit für IR-Sensoren nicht erkennbar sind, 
• Tiefgaragen, wo für Personen das Gleiche gilt wie in Eingangsbereichen und auch sich bewegende Fahrzeuge noch nicht unbedingt betriebswarm sind, 
• lange Gänge und Verkehrswege, 
• Bereiche, die mit geschlossenen Wannenleuchten beleuchtet und nicht mit leuchtenexternen IR-Sensoren erfasst werden.