Kabelloser Fensterwächter

Forschung Kompakt / 1.9.2012

Fensterkontakte melden, ob Fenster offen oder zu sind. Doch in der Regel sind diese Sensoren drahtgebunden. Forscher haben jetzt gemeinsam mit Industriepartnern ein neuartiges System entwickelt, das ohne Kabel und Batterie auskommt. Energie bezieht es aus der Umwelt – aus Licht und der Umgebungswärme.

Bild: Sensorknoten
© Foto Fraunhofer IIS

Der am Fensterrahmen angebrachte Sensorknoten überträgt die Daten über ein drahtloses Sensor- netzwerk an die Zentrale. Der hier dargestellte Prototyp des Funkkastens (links im Bild) wird im fertigen System im Sensorgehäuse (rechts oben im Bild) eingebaut sein.

Eine Schlechtwetterfront zieht herauf, der Wolkenbruch steht kurz bevor. Wer jetzt unterwegs ist, und seine Fenster nicht geschlossen oder trotz Kontrollgang ein Zimmer übersehen hat, könnte bei seiner Rückkehr mit einer nassen Überraschung rechnen. Doch das muss nicht sein, dank einem neuen Sensorsystem lassen sich solche Situationen künftig vermeiden. Im Fensterrahmen platziert, erkennt der Sensor, ob ein Fenster offen, geschlossen, gekippt oder angelehnt ist und sendet diese Information an eine Basisstation an der Eingangstür. So sieht der Bewohner beim Verlassen des Hauses auf einen Blick, welche Fenster offen stehen. Da das System auch Fernabfragen ermöglicht, können Nutzer ihre Fenster sogar von unterwegs per Smartphone kontrollieren. Forscher am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen und Nürnberg haben das Produkt in enger Kooperation mit der Calwer Seuffer GmbH & Co. KG entwickelt – einem Industriepartner, mit dem sie seit mehr als zehn Jahren zusammenarbeiten.

Die intelligente Fensterkontrolle basiert auf dem HallinOne®-Sensor des IIS – einem 3D-Magnetfeldsensor, der bereits serienmäßig in Waschmaschinen verbaut ist, um dort die Position und Lage der Wäschetrommel zu bestimmen. »Wir haben unsere Technologie für die Anwendung am Fenster angepasst. Der am Innenrahmen angeklebte fingernagelgroße Sensor erkennt die Fenster- und Hebelpositionen, indem er die Winkelabweichungen und -bewegungen des Magneten misst, der sich am unteren Fensterflügelrand befindet. Ist das Fenster zum Beispiel verriegelt, verschiebt sich der Magnet nach rechts«, erklärt Klaus-Dieter Taschka, Ingenieur am IIS. »Der Sensor erkennt sogar, wenn es vermeintlich geschlossen, eigentlich aber nur angelehnt ist. Kein anderes System ist dazu in der Lage«. Darüber hinaus ist es manipulationssicher und kann daher als Einbruchschutz genutzt werden: Der Magnet lässt sich physikalisch nicht entfernen, ohne dass der Sensor dies registrieren würde.

Drahtlose Funkübertragung

Eine ebenfalls im Rahmen angebrachte Funkeinheit, bestehend aus Mikrocontroller und Sensorknoten, nutzt die s-net® Technologie des IIS für die extrem energiesparende, drahtlose Datenübertragung an eine Zentrale. Diese kann ein PC, ein Handy, ein Tablet oder auch ein Raumcontroller sein. »Das drahtlose s-net-Sensornetz ist ein Multi-Hop-Netz, bei dem die Informationen zwischen einzelnen Sensorknoten und dem Masterknoten in der Zentrale ausgetauscht werden«, erläutert Taschka. Die Funkreichweite zwischen den Knoten – also von Fenster zu Fenster – beträgt etwa 20 bis 30 Meter. Durch die Multi-Hop-Fähigkeit des Systems lässt sich eine große Fläche abdecken, daher eignet es sich auch für den Einsatz in Unternehmen. In Bürogebäuden installiert, könnte es dem Pförtner die Daten übermitteln und so den Kontrollgang durch sämtliche Büros ersparen.

Eine weitere Besonderheit des Fensterwächters: Das Gerät kommt ohne Kabel und Batterie aus. Der Sensor bezieht seine Betriebsenergie aus der Umwelt. Energy Harvesting nennen Experten die zugrunde liegende Technologie, bei der aus alltäglichen Quellen wie Luftströmungen und Vibrationen oder – wie in diesem Fall – aus Licht und der Umgebungstemperatur Energie gewonnen wird. Im Fensterrahmen angebrachte Thermogeneratoren wandeln die Wärme in Strom um. Zudem versorgen am äußeren Fensterrahmen befestigte Solarzellen den 3D-Sensor mit Energie. »Bei unseren Tests hat dies sogar an nach Norden ausgerichteten Fenstern funktioniert«, sagt Andreas Buchholz, Abteilungsleiter Forschung und Entwicklung bei Seuffer.

Doch das System ist natürlich nur dann alltagstauglich, wenn sämtliche Sensoren einwandfrei arbeiten. Um dies prüfen zu können, wurde jeder Chip mit einer Spule ausgestattet, die ein Magnetfeld aufbaut, wenn sie unter Strom gesetzt wird. Erfolgt daraufhin ein Signal, ist der Sensor intakt.

»Die Fensterkontrolle ist das Ergebnis eines regen Ideenaustauschs, den wir seit Jahren mit den Fraunhofer-Forschern pflegen«, sagt Buchholz. Das Fenster inklusive Sensor, Magnet, Funkeinheit und Solarzellen liegt derzeit als Prototyp vor. Ende des Jahres soll es in Serie gefertigt werden. Die Produktion übernimmt das Calwer Unternehmen, das auch die Elektronik entwickelt und das Gehäuse hergestellt hat.