Die zunehmende Urbanisierung sowie der vermehrte Zugang zu Technologien führen dazu, dass die Verbraucher höhere Erwartungen an den Alltagskomfort der Zukunft haben. Bislang lag das Hauptaugenmerk vor allem auf mobilen Geräten und Produkten. Inzwischen steht jedoch fest, dass eine verbesserte Infrastruktur ein wichtiges Ziel sein muss, um unser Umfeld zu definieren und weiterzuentwickeln.
Doch mit erhöhten Erwartungen kommen auch größere Herausforderungen: Öffentliche Verwaltungseinrichtungen müssen Migrationspläne entwickeln und gleichzeitig wichtige wirtschaftliche und soziale Aspekte, etwa Privatsphäre und Sicherheit der Bürger, berücksichtigen. Designer stehen vor immer komplexeren Aufgaben und müssen Anforderungen erfüllen, die oft in Konkurrenz zueinander stehen. Dabei setzen sie einerseits immer neuere Technologien ein, um bislang einfache Anwendungen, wie die gute alte Straßenlaterne, mit höherer Funktionalität auszustatten. Andererseits wird dabei jedoch versucht, den Stromverbrauch angesichts der stetig steigenden Energiekosten zu minimieren.
In dieser innovativen neuen Welt spendet die Straßenlaterne nicht nur Licht. Vielmehr entwickelt sie sich schnell zu einem hochfunktionellen und vernetzten Portal, das einen Hauptbestandteil der Smart-City-Infrastruktur bildet. Um die wichtigen Funktionen und Konnektivitätsvoraussetzungen bereitstellen zu können, arbeiten Lighting Designer nun mit sowohl aktiven als auch passiven Mobilfunk- und verschiedenen Sensortechnologien sowie Sicherheitslösungen.
24-GHz-Radartechnologie
Radar ist ein Objekterkennungssystem, das Radiowellen einsetzt, um die Reichweite, den Winkel oder die Geschwindigkeit von Objekten mittels elektromagnetischer Wellen zu bestimmen. Radarsysteme bestehen im Normalfall aus folgenden Elementen: ein Sender, der elektromagnetische Impulse oder Wellen im Funk‑ oder Mikrowellenbereich produziert, eine Sendeantenne, eine separate Empfängerantenne sowie ein Empfänger, der die empfangenen Signale verarbeiten kann.
Ein Pulsradargerät bestimmt die Entfernung von statischen oder sich bewegenden Objekten, indem es einen kurzen, starken Impuls sendet, der von dem Objekt reflektiert wird. Die Zeit zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfang des Echos ist direkt proportional zur Entfernung des Objektes vom Radarsystem.
Dahingegen senden Dauerstrichsysteme eine ununterbrochene elektromagnetische Welle, die unterschiedlich moduliert werden kann. FMCW-Radargeräte (englisch Frequency Modulated Continuous Wave) können sowohl ruhende als auch bewegte Objekte erfassen. Dazu wird ein sogenannter Chirp-Impuls ausgesendet, der mit dem empfangenen Signal vermischt wird. Aus den niedrigen Frequenzen ergeben sich Entfernung und Geschwindigkeit. Die Frequenzumtastung (englisch Frequency Shift Keying, FSK) wird dazu eingesetzt, die Entfernung von bewegten Objekten zu messen. Hier werden zwei Frequenzen periodisch gesendet, wobei die phasenverschobenen Dopplersignale die Entfernung darstellen.
Abbildung 1: Dauerstrichradarsysteme können die Position ruhender und bewegter Objekte erfassen
Die Erkennung von Objekten gewinnt in intelligenten Systemen und Geräten zunehmend an Wichtigkeit, weshalb die 24-GHz-Radartechnologie bereits in verschiedensten Anwendungen vertreten ist. Dazu gehören Multicopter und Drohnen, intelligente Türöffner, Heim- und Fabriksautomatisierung, Geschwindigkeitsmessgeräte, Robotikprojekte und viele weitere IoT-basierte Innovationen.
Intelligente Straßenbeleuchtung
Kürzlich hat sich Infineon mit eluminocity in einem Projekt zusammengetan, um die Stadt der Zukunft intelligent zu gestalten und weltweit zu vernetzen. Die Unternehmen haben ihr Know-how und ihre technologischen Ressourcen vereint und eine fortschrittliche, hocheffiziente LED-Straßenleuchte mit präzisen Sensoranwendungen und sicherer Datenübertragung entwickelt. Die gemeinsame smarte Straßenbeleuchtungslösung basiert auf einer von eluminocity konstruierten Straßenlaterne, die als Knotenpunkt für intelligente Anwendungen agiert. Technologien von Infineon bilden das Herzstück der innovativen elektronischen Systeme. Sie umfassen 24-GHz-Radar, effiziente Leistungshalbleiter, XMC™-Mikrocontroller und Sicherheitslösungen der hochmodernen OPTIGA™-Familie von Infineon.
Die OPTIGA™-Technologie von Infineon stellt ein offenes System bereit, das sowohl hochskalierbar als auch vollkommen unabhängig von bestehender Infrastruktur ist und darüber hinaus höchste Sicherheit bietet. Der jeweilige für die Straßenbeleuchtung verantwortliche Betreiber (oft die öffentliche Verwaltung) muss sich nur noch darum kümmern, dass die Beleuchtungshubs an die bereits bestehende Infrastruktur angeschlossen werden.
Die Leuchten sind dank Energiemanagement und Schaltern von Infineon an sich bereits effizient. Mittels 24-GHz-Radar-Chip erkennen sie darüber hinaus das Vorhandensein von Objekten in ihrer Umgebung und leuchten deshalb nur dann heller, wenn es notwendig ist. Die Lösung ist deshalb viel stromsparender als die effizientesten unter den „Always-On”-Beleuchtungssystemen.
Abbildung 2: Intelligente Beleuchtung ist nur eine Funktion dieser intelligenten Hubs für Smart Cities
Jedoch bietet diese intelligente Beleuchtungslösung von eluminocity viel mehr als Energieeffizienz. Dank Näherungssensoren erkennt sie freie Parkplätze in ihrem Umfeld und gibt diese Information mittels Konnektivität an Autofahrer in der Nähe weiter. Das ist ein Paradebeispiel für wahrlich intelligentes Verkehrsmanagement. Zudem werden die örtlichen Verkehrsbedingungen beobachtet, weshalb Städteplanern und Ladenbesitzern in der Umgebung wertvolle Daten zur Verfügung stehen. Dank dieser Daten können Autofahrer um Stauzonen herumgeleitet werden – entweder durch die Regelung von Verkehrssignalen und ‑zeichen oder über die unmittelbare Bereitstellung von Daten an das Satelliten-Navigationssystem im Auto.
Eine weitere Funktion der modernen Straßenlaterne ist die Ladefunktion für Fahrzeuge mit Elektromotor. Damit wird auf platzsparende Weise ein wichtiger Beitrag für die Umsetzung erfolgreicher Elektromobilität geleistet.
Intelligente Beleuchtung: Technologien im Überblick
OPTIGA™-Sicherheitslösungen: Wenn auch diese Hubs mit ihren hochmodernen Funktionen das Rückgrat von Smart Cities bilden, bringt die ausschlaggebende, essentielle Konnektivität dieser Lösung doch potenzielle Sicherheitsschwachstellen mit sich. Diese Risiken müssen entschärft und die Sicherheit der Netzwerke, auf die Smart Cities angewiesen sind, gewährleistet werden. Deshalb setzen die Entwickler des Beleuchtungshubs auf die Technologien der verlässlichen Sicherheitslösungen von Infineons OPTIGA™-Familie. Diese standardisierten Sicherheitscontroller bieten ein breites Spektrum an Sicherheitsfunktionen für eingebettete Plattformen. Sämtliche OPTIGA™-Produkte basieren auf Infineons innovativer hardwarebasierter Sicherheitstechnologie, die Designern und Benutzern ein hohes Maß an zuverlässiger Sicherheit bietet. Die eingebetteten Sicherheitsfunktionen umfassen System- und Datenintegrität, Authentifizierung, sichere Kommunikation, geschützte Datenspeicher und sichere Updates – allesamt ausschlaggebend für die Bewahrung der Integrität von zukünftigen Smart Cities.
Die OPTIGA™-Lösung basiert auf einem hochmodernen 16-Bit-Sicherheitscontroller und kann einfach in eine Vielzahl von IoT-Systemen integriert werden. Damit Designer vollste Flexibilität genießen, unterstützt die Produktfamilie Microsoft Windows, Linux sowie Sonderausführungen und bietet darüber hinaus Integrationsunterstützung für proprietäre Systeme. Zudem umfasst die OPTIGA™-Familie TPM-Chips, welche als erste den neuesten Standard TPM 2.0 nach der TCG-Spezifikation unterstützen und somit die einfache Implementierung der aktuellsten Sicherheitsprotokolle ermöglichen.
Smarte Näherungssensoren: Die Näherungserkennung des intelligenten Beleuchtungshubs beruht auf dem kleinsten auf dem Markt verfügbaren 24-GHz-Industrie-Radarchipsatz, dem BGT24LTR11. Dieses vielseitige Element ermöglicht das Ermitteln verschiedenster Parameter, einschließlich Doppler-basierter Geschwindigkeits- und auf elektromagnetischen Wellen basierender Entfernungsmessung. Durch zusätzliche Empfängerkanäle können zudem Winkel und Richtungen anhand von Phasenerkennung in den Antennen bestimmt werden.
24 GHz bieten ein hohes Level an Genauigkeit – Fußgänger werden in einem Umkreis von bis zu 50 m und Fahrzeuge in einer Entfernung von bis zu 150 m erkannt. Darüber hinaus ist diese Technologie viel empfindlicher als die passiven Infrarotsensoren (PIR), die sie schlussendlich in vielen Anwendungen ersetzen wird – kleinste Bewegungen im mm-Bereich werden erfasst. Die 24-GHz-Technologie kann außerdem in einer Vielzahl von atmosphärischen Bedingungen eingesetzt werden und hält maßgeblichen Temperaturumschwüngen sowie hoher Luftfeuchtigkeit und Staubbelastung stand. Aus diesem Grund ist sie für den Außeneinsatz, selbst in den unwirtlichsten vernetzten Städten weltweit, geeignet.
Abbildung 3: Blockdiagramm und Gehäusegröße des BGT24LTR11N16
Damit sich Designer gegebenenfalls mit der 24-GHz-Technologie vertraut machen können, bietet Infineon eine Reihe von Demokits, etwa das Sense2GoL-Demoboard. Neben dem BGT24LTR11 selbst ist diese vollwertige Platine mit einem XMC1302 ARM® Cortex® M032-Bit-Industrie-Mikrocontroller in einer kompakten 25-mm²-Leiterplatte ausgestattet, die zudem spezielle Patch-Antennen für den Empfangs- sowie Sendepfad enthält. Das Demoboard ist mit einer Debugger-Breakoff-Platine von Segger für die Neuprogrammierung und Evaluation verbunden.
Das umfangreiche Kit enthält auch Firmware für Bewegungserkennung und eine Software-GUI für die Überwachung von Radarsignalen. Dazu kommen ein Benutzerhandbuch und vollständige Leiterplattenschaltbilder sowie Gerber-Dateien für einen schnellen Übergang vom Design zur Produktion. Infineon möchte in der nahen Zukunft die Unterstützung für 24-GHz-Designs mit der Veröffentlichung von Referenzdesigns und Softwarekonfigurationen verbessern.
Zusätzliche Sensoren: Beinahe jeder Sensor kann in diese intelligenten Beleuchtungshubs eingebaut werden. So können etwa Gassensoren zum Überwachen der Luftqualität und Audiosensoren zum Erkennen des Lärmpegels zum Einsatz kommen. Konkrete Beispiele sind etwa die audiobasierte Erkennung von Verkehrsunfällen oder Schüssen. Zudem spielen Lichtsensoren – so einfach sie auch sein mögen – eine sehr wichtige Rolle darin, Straßenbeleuchtungssysteme intelligenter zu machen. Sie ermitteln die Lichtbedingungen der Umgebung und können das Licht während Schlechtwetterphasen heller werden lassen. Der tatsächliche Lichtbedarf wird überwacht und das Feedback an den Controller gesendet. So kann sichergestellt werden, dass die benötigte Beleuchtung immer erreicht wird und zwar unabhängig vom Alter der Lampe. Informationen zur Abnutzung können per Fernzugriff von Technikern abgerufen werden, was eine bessere Planung der Wartung ermöglicht. Zudem sorgen Warnmeldungen dafür, dass etwaige vorzeitige Ausfälle erkannt werden.
Beleuchtungscontroller: Dank dem digitalen Kern des XDPL8220 kann eine Reihe von Systemen auf demselben Gerät aufbauen. Seine fortschrittlichen Steueralgorithmen ermöglichen sowohl die Umsetzung von Steuerverfahren mit konstantem Strom und konstanter Spannung als auch mit begrenzter Energie innerhalb desselben Schaltkreises. Zudem ist er mittels Anpassung der umfangreichen Parameter individuell für Zielanwendungen einstellbar.
Das Gerät ist mit den hohen Anforderungen moderner Energiesysteme kompatibel und bietet einen Eingangsspannungsbereich zwischen 90 und 305 VAC, Effizienz von > 90 % und THD von < 15 %, was="" die="" einhaltung="" von="" iec 61000-3-2="" der="" klasse c="" sicherstellt.="" eine="" aktive="" pfc‑="" sowie="" oberwellensteuerung,="" die="" über="" einen="" breiten="" ausgangsstrombereich="" hinweg="" funktioniert,="" sorgt="" bei="" allen="" betriebsbedingungen="" für="" einen="" leistungsfaktor="" größer="" als="" 0,9="" und="" gewährleistet="" die="" minimierung="" von="" zusätzlichen="" versorgungsverlusten="" aufgrund="" von="" blindleistung="" und="">
Zusammenfassung
Infineon und eluminocity haben in Kooperation miteinander die einfache Straßenlaterne in einen intelligenten und sicheren Knotenpunkt verwandelt, der einen Hauptbestandteil jeder Smart-City-Infrastruktur bilden wird. Die gemeinsam entwickelte End-to-End-Lösung besteht aus Straßenleuchten, welche von eluminocity entwickelt wurden, sowie Kommunikationslösungen von Intel. Das breite Spektrum der Lösungen von Infineon umfasst 24-GHz-Radarsensoren, Leistungshalbleiter, Mikrocontroller und Sicherheitschips – allesamt Elemente, die zur Vielseitigkeit dieses Hubs beitragen.
Die offene Plattform ermöglicht es anderen Beteiligten, die umfassenden Sensornetzwerke zu nutzen. Zudem sind innovative Köpfe dazu eingeladen, neue und moderne Anwendungen für diese Systeme zu entwickeln, um die weltweit vernetzten Städte der Zukunft zu unterstützen und zu optimieren.
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