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Thermosensorik: Wärme mit Tiefe

Abtastende und bildgebende Geräte auf Infrarotbasis messen die Oberflächentemperatur und Temperaturverteilung passiv und berührungslos und bilden sie ab. Das bedeutet, dass die Temperatur eines Körpers oder Objekts durch Messung der abgestrahlten Leistung ohne Berührung bestimmt werden kann.

Pikkerton Bildquelle: © Pikkerton

Jedes Objekt, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, gibt Infrarotstrahlung ab. Bei einem Objekt »ohne Farbe«, also bei einem Objekt, das keine Wellenlänge gezielt emittiert oder absorbiert, wird das Strahlungsspektrum ausschließlich durch die Temperatur bestimmt. Mit steigender Temperatur erhöht sich ebenfalls die Intensität bei jeder Wellenlänge des Strahlungsspektrums.

Mit »Grid-Eye« baut Panasonic sein IR-Array-Sensorgeschäft aus. Es handelt sich um ein Thermopile-Array mit 8 x 8-Matrix, das absolute Oberflächentemperaturen ohne Berührung erfasst. Der Infrarot-Array-Sensor bietet mit einer 64-Pixel-IR-Kamera ein SMD-Komplettpaket. Aufsetzend auf der MEMS-Technik (mikroelektromechanische Systeme) von Panasonic, vereint Grid-Eye einen MEMS-Sensorchip, ein digitales ASIC (I2C-Interface) und eine Siliziumlinse in sich. Die 60°-Siliziumlinse ist aus einem Siliziumwafer herausgeätzt worden und mit einer Höhe von unter 0,3 mm vergleichsweise klein. Panasonic hat durch die Kombination dieser Technologien das Sensorgehäuse auf 11,6 mm x 8 mm x 4,3 mm verkleinert, was ungefähr 70 % kleiner ist als vergleichbare Produkte.

Eine Dimension mehr

Aufbau des Grid-Eye-Sensors. Bildquelle: © Panasonic

Aufbau des Grid-Eye-Sensors.

Im Vergleich zu Thermopile-Sensoren mit nur einem Element und zu pyroelektrischen Sensoren ist Grid-Eye in der Lage, Bewegungsrichtung von Personen und Objekten zu identifizieren (siehe Tabelle). Darüber hinaus detektiert der Sensor die Position und Präsenz sowie die tatsächliche Oberflächentemperatur von –20 °C bis +100 °C. Wegen dieses großen Messbereichs erreicht der Hersteller eine rauschäquivalente Temperaturdifferenz (Noise Equivalent Temperature Difference, NETD) von ±0,08 K bei 1 Hz und Raumtemperatur. Das Array der Messelemente kann auch mehrere Personen oder Objekte detektieren, die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Aus der Nähe könnte Grid-Eye sogar Handbewegungen für die einfache Gestensteuerung erkennen.

Vitaldaten im Blick

Temperaturverteilung eines fallenden Menschen (links) und eines sitzenden. Bei fallenden Menschen ist die Anzahl der Pixel, die sich von dem Hintergrund abheben, höher. Bildquelle: © Panasonic

Temperaturverteilung eines fallenden Menschen (links) und eines sitzenden. Bei fallenden Menschen ist die Anzahl der Pixel, die sich von dem Hintergrund abheben, höher.

In den nächsten 15 Jahren, so das Bundesinstitut für Bevölkerungsforschung (BiB), könnte die Anzahl pflegebedürftiger Menschen in Deutschland um etwa 35 % steigen. Aus aktuellen Statistiken zu häuslichen Unfällen älterer Menschen geht hervor, dass ein Unfall mit größter Wahrscheinlichkeit als Sturz im häuslichen Wohnzimmer oder auf der eigenen Treppe auftritt. Zur Wahrung und Förderung der Sicherheit und Gesundheit älterer Menschen wird daher u. a. zuverlässiges Erkennen von Stürzen als besonders wichtig erachtet. Die verwendete Technik sollte berührungslos, kostenoptimiert und unauffällig sein. Außerdem muss die Integrationsmöglichkeit in bestehende Wohnumgebungen gewährleistet sein. Eine weitere Anforderung besteht in einer einfachen Handhabung, da diese eine wichtige Rolle bei der Akzeptanz spielt. Schließlich steht die maximale Abdeckung der Notfallerkennung einer Wohnumgebung bei Minimierung der Fehlalarme und Vermeidung von falschen Notrufen im Vordergrund.

»Professionelle, elektronische Assistenzsysteme sind definitiv die Zukunft«, sagt Lothar Feige. Der Chef der Firma Pikkerton tritt mit einer Eigenentwicklung an, um den AAL-Markt aufzumischen. AAL steht für »active assisted living«, das bedeutet, ältere Menschen können mit Hilfe von Technologie möglichst lang in ihren eigenen vier Wänden leben. Pikkerton hat sich anlässlich der Entwicklung von »InstaMon« – einer Sturzerkennung und -meldung im Lichtschalterformat – für Grid-Eye entschieden, da dessen Sensordaten für Bildverarbeitungsalgorithmen ausreichen und zugleich die Privatsphäre der Betroffenen wahren, denn der Sensor ist nicht bildgebend.

Datenextraktion

Tabelle: Anwendungsbereiche verschiedener Thermosensor-Prinzipien. Bildquelle: © Panasonic

Tabelle: Anwendungsbereiche verschiedener Thermosensor-Prinzipien.

»Grid-Eye hat uns wegen seiner Baugröße und seines Leistungsspektrums überzeugt« erläutert Lothar Feige. »Da sich unser Sensor unauffällig in einen Wohnraum einfügen soll und unser Ziel darin bestand, die Beschränkung auf 32 mm Einbautiefe zu erreichen, war die Entscheidung schnell getroffen. Dank der geringen Baugröße kann InstaMon mit dem Formfaktor eines Lichtschalters gebaut werden und so in herkömmlichen Unterputzdosen oder auch Aufputzrahmen verwendet werden«.

Zuerst sendet der Infrarot-Array-Sensor eine relevante Temperaturverteilung an einen Mikrocontroller. Dieser extrahiert verschiedenste Merkmale aus der vom Sensor gesendeten Temperaturverteilung und speist mit den Daten der Merkmale parallel arbeitende und lernende Auswertealgorithmen. Das Gerät ist als GSM-Gerät konzipiert (2G-Mobilfunk) und verfügt so über einen SIM-Karten-Slot. Mit der integrierten Dual-Band-Antenne kann sich das Gerät in alle europaweit verfügbaren Mobilfunknetze einbuchen. Je nach Konfiguration können SMS verschickt oder auch Sprachrufe zu beliebigen Telefonen oder Smartphones aufgebaut werden. Dadurch lässt sich sofort ein Kontakt mithilfe der integrierten Freisprecheinrichtung zur gestürzten Person herstellen.

Über den Autor:

Mubeen Abbas ist Product Marketing Manager bei Panasonic.