Gassensoreinrichtung zur Bestimmung menschlicher Aktivität und Anwesenheit

Die Erfindung betrifft eine Gassensoreinrichtung, mit der menschliche Aktivität und/oder Anwesenheit bestimmt und überwacht werden kann.

Heutige Vorgaben bzgl. der Sicherheit und des Energieverbrauchs in einem Gebäude lassen sich besser erfüllen, wenn über eine Sensorik die Anwesenheit und auch Aktivität von Personen in den Räumen des Gebäudes ermittelt werden kann. So kann mittels einer solchen Sensorik beispielsweise die Be- leuchtung reguliert werden oder die Belüftung/Klimatisierung angepasst werden. Weiterhin kann auf einen Einbruch oder auch auf einen medizinischen Notfall geschlossen werden. Auch ist es möglich, bei Gefahrensituationen die Reaktion auf das Vorhandensein oder eben Fehlen von Menschen anzupassen.

Bei den Räumen, für die eine solche Sensorik in Frage kommt, kann es sich um Gebäuderäumlichkeiten, also beispielsweise Büroräume oder Räume eines Wohngebäudes, aber auch um Waggons eines Zuges oder den Fluggastraum eines Flugzeugs oder die Räume anderer Fahrzeuge handeln. Auch Hallen oder Container kommen wie alle anderen wenigstens zu einem erheblichen Teil umschlossenen Räume in Frage.

Es ist bekannt, für eine solche Sensorik direkte Messungen wie beispielsweise über die Anwesenheit eines Laptops o.a. zu verwenden. Passive Sensoren sind beispielsweise Infrarotmelder, Kameras, Mikrowellenbasierte Techniken oder die Abschätzung der Raumbelegung über von Menschen benutzte Gegenstände wie Lichtschalter oder Türen.

Nachteilig ist bei den benutzten Gegenständen, dass sie keine sichere Aussage über die tatsächliche Personenzahl und nahezu keine Aussage über deren Aktivität zulassen. Verfahren wie die Personendetektion über beispielsweise Infrarotsensoren und andere strahlungsbasierte Methoden sind gerichtet und dadurch unter Umständen ungenau.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, eine Bestimmung menschlicher Aktivität und Anwesenheit vorzunehmen, die die oben genannten Nachteile zumindest weitgehend vermeidet.

Die Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Ermittlung von menschlicher Aktivität und/oder Anwesenheit in einem umschlossenen Raum weist dazu wenigstens einen Gassensor zur Ermittlung der Konzentration wenigstens eines Gases in der Luft im Raum auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Sensoreinrichtung zur Ermittlung von menschlicher Aktivität und/oder Anwesenheit in einem umschlossenen Raum wird eine Sensoreinrichtung mit wenigstens einem Gassensor zur Ermittlung der Konzentration wenigstens eines Gases in der Luft im Raum verwendet, um die Konzentration wenigstens eines Gases in der Luft im Raum zu verfolgen. Weiterhin wird aus der Konzentration auf die Aktivität und/oder Anwesenheit bestimmt.

Besonders bevorzugt kommt dabei ein chemischer Gassensor zum Einsatz. Chemische Gassensoren basieren auf der elektrischen Reaktion einer üblicherweise weniger als 1 mm dicken Sensorschicht auf chemische Reaktion des Zielgases mit oder auf der Schicht. Beispiele für solche Sensoren sind die sog. Dickschicht-Metalloxid-Sensoren, Dünnschicht-Metalloxid-Sensoren wie beispielsweise Zinnoxid (SnO2) -basierte Sensoren. Ein anderes Beispiel sind die sog. GasFETs, d.h. Gassensoren auf Feldeffekt-Transistor-Basis. Chemische Sensoren sind typischerweise einfach und dabei in großen Stückzahlen herstell- bar. Weiterhin sind sie vorteilhafterweise klein und einfach betreibbar. Es können jedoch auch andere Typen von Gassensor wie beispielsweise Infrarot-Sensoren oder photoakustische Sensoren verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist den Vorteil auf, ungerichtet zu arbeiten. Die Detektion von einem oder mehreren Gasen, die durch menschliche Aktivität und/oder Anwesenheit emittiert werden, ist vom genauen Ort der Menschen unab- hängig. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung den Vorteil auf, dass sie nicht von einer Aktivität des oder der Menschen abhängig ist, um zu funktionieren, wie es beispielsweise Bewegungsmelder sind. Auch völlig ruhige Menschen können wahrgenommen werden und von einer totalen Abwe- senheit von Menschen unterschieden werden. Auch kann anhand der Konzentration des oder der verfolgten Gase auf die Anzahl anwesender Menschen geschlossen werden, wiederum im Gegensatz zu bewegunsgbasierten Messmethoden. Im Gegensatz zu Messmethoden, die die Benutzung von Gegenständen überwachen, weist die Gasdetektion den Vorteil auf, eine absolute Messmethode zu sein, d.h. sie misst nicht Veränderungen, sondern absolute Gaskonzentrationen .

Die Erfindung ermöglicht also beispielsweise eine Überwachung eines Wohnraums einer einzelnen Person. Bei dieser kann dann bei langer Inaktivität beispielsweise auf einen medizinischen Notfall geschlossen werden und automatisch eine Reaktion ausgelöst werden, beispielsweise eine Notfall-Meldung.

Als zu verfolgendes Gas eignet sich beispielsweise Sauerstoff. Sind Menschen anwesend, wird Sauerstoff verbraucht und die Konzentration sinkt. Wird der Raum belüftet, steigt kurzfristig die Sauerstoffkonzentration . Ansonsten ist die Sauerstoffkonzentration weitgehend konstant.

Ein weiterer besonders für die Überwachung geeigneter Gastyp sind flüchtige organische Kohlenwasserstoffe, VOCs (volatile organic Compounds) . Die Gesamtkonzentration an VOCs korre- liert im Allgemeinen gut mit menschlicher Aktivität bzw. Vorhandensein in einem Raum. Weiterhin werden VOCs auch vielfach durch menschliche Aktivitäten erzeugt bzw. freigesetzt, beispielsweise durch Kochen, Putzen oder Verwenden von typischen Körperpflegemitteln.

Bei der Verwendung von VOCs als Gas kann die Gesamtkonzentration an VOCs mit einem geeigneten Sensor, beispielsweise einem chemischen Sensor oder einem infrarotbasierten Gassensor ermittelt werden. Infrarotbasierte Gassensoren haben hier den Vorteil, eine leichte Messung der Gesamtkonzentration an Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen. Zusätzlich ist die Messung mit einem infrarotbasierten Gassensor verhältnismäßig arm an Störungen durch andere Gase. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen verschiedenen Typen von Kohlenwasserstoffen oder VOCs zu unterscheiden und bestimmte Klassen dieser Gase oder einzelne Gastypen zu detektieren und zu verfolgen. Dies erlaubt eine bessere Unterscheidung von der Aktivität oder der Anwesenheit von Menschen und einigen der oben genannten Tätigkeiten, die ebenfalls VOCs freisetzen. Letztlich wird die Verfolgung von Anwesenheit und Aktivität von Menschen hierdurch genauer.

Es ist natürlich auch möglich, für eine weitere Erhöhung der Genauigkeit die Messung von Sauerstoff und VOCs und/oder Kohlenwasserstoffen zu kombinieren. Dabei kommen zweckmäßig mehrere Gassensoren zum Einsatz. Dabei können auch zur Verminderung von Quersensitivitäten von einzelnen der Gassensoren weitere Gassensoren verwendet werden, die noch weitere Gase messen. Dabei wird unter Quersensitivitäten die Sensitivität, also die Erzeugung eines Sensorsignals durch ein Gas verstanden, das eigentlich nicht detektiert werden soll. Auch deren Signale wiederum können für die eigentliche Aufgabe, d.h. Feststellung der menschlichen Aktivität und Anwesenheit be- rücksichtigt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, als zu verfolgendes Gas Kohlendioxid zu verwenden. Dieses Gas ist in wesentlich geringe- rer natürlicher Konzentration in der Atmosphäre vorhanden als beispielsweise Sauerstoff. Weiterhin entsteht es im Vergleich zu VOCs nicht bei haushaltsüblichen Vorgängen wie beispielsweise durch Ausgasen aus Putzmitteln. Menschliche Aktivität hingegen kann die Konzentration von CO2 als Atemprodukt erheblich steigern.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, zusätzlich zu Kohlendioxid noch weitere Gase wie beispielsweise VOCs und/oder Sauerstoff zu betrachten. Hier können die Vorteile der einzelnen Gastypen kombiniert und ggf. vorhandene Nachteile ausgeglichen werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinrichtung als Rauchmelder oder automatischer Feuermelder ausgestaltet ist. Zum Einen sind Rauchmelder oder Feuermelder beispielsweise in öffentlichen Gebäuden meistens, aber auch in Privathaushalten immer öfter ohnehin vorgesehen. Zum anderen besteht ein Überlapp in den nötigen Sensorfunktionen. So sind heutige Feuermelder zum Teil bereits mit Gassensoren ausgestattet. Diese erlauben gegenüber den früher verwendeten Rauchmeldern, Feuer früher zu detektieren, da bestimmte Brand-Precursor-Gase bereits entstehen, wenn noch kein oder wenig Rauch entwickelt wird. Solche Brand-Precursor-Gase sind beispielsweise Wasserstoff oder HCN, wobei letzteres beispielsweise beim Schwelen von Kunststoffen entsteht. Die entsprechend bereits vorhandenen Sensoren können dann als Gassensoren für die Feststellung der menschlichen Aktivität und Anwesenheit dienen oder zumindest unterstützend wirken, beispielsweise um Quersensitivitä- ten anderer Sensoren auszugleichen.

Anders ausgedrückt, wird damit als bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ein Rauchmelder oder automatischer Feuermelder angegeben, der gleichzeitig eine Überwachung der Anwesenheit und/oder Aktivität von Menschen im Überwachungsbereich ermög- licht. Hierin werden die im Rauch- oder Feuermelder vorgesehenen Sensoren dazu verwendet, einerseits den Ausbruch eines Brandes zu detektieren und andererseits die Konzentration von Gasen zu verfolgen, die auf die Anwesenheit und/oder Aktivi- tät von Menschen hinweisen. Dabei kann es sein, dass vorteilhaft überhaupt keine zusätzlichen Sensoren verwendet werden müssen, sondern lediglich die vorhandenen Sensoren verwendet werden müssen, um die Konzentration bestimmter Gase auch auf die Anwesenheit und Aktivität von Menschen hin zu analysieren .

Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um eine Unterscheidung von menschlich bedingten Gasänderungen von an- derweitig erzeugten zu unterscheiden. Ein möglicher Störfaktor ist das Öffnen oder Offenlassen von Türen oder Fenstern. Dies führt zu einem Luftaustausch, der menschlich bewirkte Konzentrationsänderungen schwächen, aufheben oder sogar umkehren kann. Um derartig bewirkte Änderungen zu erkennen, kann beispielsweise ein Temperatursensor zum Einsatz kommen. Eine durch Türen oder Fenster bewirkte Änderung der Gaszusammensetzung ist in ihrem zeitlichen Verlauf dann eng gekoppelt an eine Temperaturänderung. Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung von menschlich bewirkten Änderungen besteht in einer Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Konzentrationsänderung. Diese wird bei geöffneten Fenstern oder Türen üblicherweise sehr schnell sein, d.h. wesentliche Änderungen werden sich im Sekunden- bis Minutenbereich ergeben. Die menschlich bewirkten Gasänderungen fallen hingegen langsamer und stetiger aus, d.h. sie haben Zeitkonstanten von vielen Minuten bis Stunden.

Eine weitere, ähnliche Störquelle ist eine automatische oder manuell aktivierte Klimaanlage, die, wenn eingeschaltet, eine ähnliche Wirkung wie ein geöffnetes Fenster hat. Neben den bereits für Fenster und Türen genannten Möglichkeiten bietet sich hier auch die Möglichkeit, in einer übergeordneten Steuerung, d.h. auf Ebene eines Gesamtsystems, ein direktes Signal der Klimaanlage mit den Signalen des Gassensors zu kombi- nieren. Anders gesagt weiß das Gesamtsystem, wann die Klimaanlage arbeitet und kann dies entsprechend berücksichtigen. Ein derartiger Ansatz bietet sich natürlich auch bei Türen und Fenstern, sofern diese mit entsprechenden Schaltern aus- gestattet sind, die den Öffnungszustand an das Gesamtsystem melden .

Bei einem Gesamtsystem bietet sich auch die Möglichkeit, den Gassensor oder die Gassensoren, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, mit anderen Typen von Sensoren zu kombinieren, beispielsweise Infrarotsensoren, Radarsensoren, Türschalter u.a.

Die Sensoreinrichtung kann ausgestaltet sein, eine Speiche- rung des Verlaufs der Sensorsignale vorzunehmen. So können beispielsweise typische Abläufe des Sensorsignals an einem Tag gespeichert werden. Ein Vergleich mit einem durchschnittlichen Tagesablauf ermöglicht dann an späteren Tagen, festzustellen, ob eine untypische Aktivität vorliegt. So würde bei- spielsweise ein Einbruch leicht detektierbar, auch wenn die Zeit, zu der der überwachte Raum üblicherweise leer steht, nicht nachts ist. Andersherum würden übliche Aktivitäten zu Leerzeiten in einem Raum, beispielsweise Raumpflege, leicht als normal und nicht meldenswert erkannt. Wird ein Wohnraum überwacht, so kann festgestellt werden, ob zu einem Zeitpunkt, an dem normalerweise eine gewisse Aktivität vorliegt, die anwesende Person längere Zeit inaktiv ist und so ein medizinischer Notfall detektiert werden.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen

Figur 1 den Signalverlauf eines Gassensors über mehrere

Tage Figur 2 einen Brandmelder mit Gassensoren

In Figur 1 ist der Verlauf 1 des elektrischen Widerstands eines Sensors aus einem Sensorarray, d.h. einer Gruppe von einander zugeordneten Sensoren gezeigt. Die Messung erstreckt sich dabei über mehrere Tage. Ein markierter Zeitbereich 2 kennzeichnet dabei das Wochenende. Be ca. 45h Messzeit beginnt die Arbeitswoche.

Im Zeitbereich 2, also am Wochenende, liegt ein niedriger Wi- derstandswert vor, der auch weitgehend frei von schnellen Schwankungen ist. Zu Beginn der Arbeitswoche, ca. bei t = 45 h, steigt das Sensorsignal, also der Widerstand der Sensorschicht stark an, da Menschen den überwachten Raum betreten. Der Sensorwiderstand klettert also bei Anwesenheit von Menschen auf einen erhöhten Durchschnittswert. Zusätzlich ist in Figur 1 ersichtlich, dass das Sensorsignal Fluktuationen im Minuten- bis Stundenbereich aufweist. Diese sind ebenfalls charakteristisch für menschliche Aktivität und am Wochenende nicht zu beobachten. Die Fluktuationen erlauben daher - neben der Auswertung der absoluten Signalhöhe - einen zusätzlichen Indikator für menschliche Aktivität.

Ein beispielhafter Aufbau für eine Sensoreinrichtung ist in Figur 2 angedeutet. Auf einer kreisförmigen Platine 10 sind mehrere Module angebracht, die insgesamt einen kombinierten Feuermelder und Aktivitätsmelder ergeben. Auf der Platine 10 sind dafür ein optischer Rauchmelder 11, ein Gassensorarray

13 und ein Steuerchip 12 vorgesehen. Weiterhin ist auch eine nicht gezeigte Energiequelle vorgesehen, in diesem Beispiel eine Batterie. Der Steuerchip 12 steuert in bekannter Weise den optischen Rauchmelder 11 und gibt bei Anwesenheit von Rauch eine entsprechende Meldung ab. Weiterhin steuert der Steuerchip 12 auch das Gassensorarray 13. Dieses besteht im gegebenen Ausführungsbeispiel aus drei einzelnen Metalloxid- Gassensoren, die in der Figur durch die drei Sensorschichten

14 angedeutet sind. Diese weisen in diesem Ausführungsbeispiel verschiedene Materialien auf, sodass die Signale der drei Sensorschichten 14 kombiniert werden können.

Einer der drei Sensoren des Gassensorarrays 13 ist dabei so ausgelegt, dass er besonders sensitiv auf Sauerstoff reagiert. Ein weiterer der drei Sensoren ist ausgelegt, auf Kohlenwasserstoffe zu reagieren. Der dritte Sensor ist darauf ausgelegt, auf weitere Gase zu reagieren, beispielsweise Ozon, um Störsignale durch diese Gase rechnerisch ausgleichen zu können.

Aus den Sensorsignalen für Sauerstoff und die Kohlenwasserstoffe ermittelt der Steuerchip 12, ob sich in dem Raum, in dem die Sensoreinrichtung angebracht ist, Menschen aufhalten. Dabei werden neben der absoluten Signalhöhe der Sensoren für Sauerstoff und Kohlenwasserstoffe auch Signalschwankungen im Minuten- bis Stundenbereich berücksichtigt. Weiterhin werden Störsignale anderer Gase berücksichtigt, die durch den dritten Sensor gemessen werden.

Die Signale der Gassensoren werden ferner auch für die Brand- detektion verwendet. Dabei werden vom Steuerchip 12 bekannte Muster für typische Arten von Bränden mit den Sensorsignalen verglichen und so zusätzlich zum optischen Rauchmelder 11 versucht, Brände zu erkennen.

Der Steuerchip 12 ist dazu ausgestaltet, ein Tagesprofil für die sich ergebenden Anwesenheits- und Aktivitätsprofile zu speichern. Dabei werden zweckmäßig nicht die Sensorsignale an sich, sondern nur die errechnete Anwesenheit und/oder Aktivität gespeichert. Dabei werden auch die Uhrzeiten berücksich- tigt und sich daraus ergebende Annahmen über die Aktivität und Anwesenheit. Auch verschiedene Profile für verschiedene Wochentage sind je nach Anwendung möglich. Für eine leichtere Speicherung und Auswertung ist es auch möglich, dass die Sensoreinrichtung mit einem übergeordneten System verbunden ist und der Steuerchip 12 nur für die Weitergabe der Signale sorgt, die dann beispielsweise in einem Computer ausgewertet werden. Ein Vergleich von aktuell gemessenen Daten mit gespeicherten Tagesprofilen kann dann dazu verwendet werden, anormale Zustände zu erkennen.

Wir die Sensoreinrichtung beispielsweise in einem Haus mit einer alleinstehenden Person verwendet, so kann eine länger andauernde Zeit ohne Aktivität einen medizinischen Notfall bedeuten, der dann von der Sensoreinrichtung erkannt wird und so zu einer Meldung führen kann. In einem Bürogebäude kann umgekehrt eine untypische Aktivität in der Nacht ebenfalls zu einer Meldung an eine Überwachungsstelle führen. Am Tag kann beispielsweise festgestellt werden, ob ein Konferenzraum leer ist, oder ob eine, zwei oder mehr Personen anwesend sind. Darauf kann beispielsweise mit einer Nachregelung einer Klimaanlage, Heizung oder Beleuchtung reagiert werden. Weiterhin kann auch erkannt werden, ob es sich bei der Aktivität der Anwesenden beispielsweise um ein Meeting, eine ruhige Arbeit o.a. handelt.

Da mit der Sensoreinrichtung auch Brände anhand des Rauchmelders oder sogar in Kombination mit den Sensorsignalen erkannt werden, kann das Ergebnis der Anwesenheitserkennung auch dazu verwendet werden, eine Evakuierung im Brandfall zu planen oder zu melden, in welchen Räumen sich bei Ausbruch des Feuers Personen befanden.

Je nach Ausgestaltung des Gassensorarrays 13 ist es auch möglich, den physischen Zustand anwesender Personen oder zumindest einer anwesenden Person festzustellen. So kann beispielsweise ein Schweißausbruch ermittelt werden oder, ob Alkohol konsumiert wurde.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel verwendet zur Detektion menschlicher Aktivität einen Gassensor, der auf Kohlendioxid anspricht. Hier kann beispielsweise ein Festkörper-Gassensor wie beispielsweise ein GasFET mit einer ent- sprechenden sensitiven Schicht, beispielsweise aus einem Po- lysiloxan zur Verwendung kommen. Auch hier kommen in einer Ausführungsvariante weitere Sensoren zum Einsatz. Beispielsweise kann ein Ozon-Sensor dazu dienen, einen Luftaustausch zu detektieren. Der Kohlendioxidsensor kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel zur Detektion von Bränden mitverwendet werden . Die verschiedenen, in den vorangegangenen Varianten bzgl. der Verwendung einzelner oder mehrerer Sensoren, der Verwendung einzelner oder aller Sensoren zur zusätzlichen Detektion von Brandgasen, der Verwendung zusätzlicher Sensoren zur Ermittlung von äußeren Störungen lassen sich jeweils miteinander kombinieren .