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(Quelle: APChanel/Shutterstock.com)

Haben Sie schon einmal nach oben geschaut und all die miteinander verbundenen Geräte bemerkt, die an der Decke eines modernen Gebäudes angebracht sind? In den "intelligenten" Gebäuden von heute gibt es oft Dutzende von Sensor- und Aktuator-Typen, die über viele parallele Netzwerke miteinander verbunden sind. Dazu zählen beispielsweise:

• Sicherheitskameras (in analogen oder digitalen Koaxialkabelnetzen),
• Umgebungssensoren und Brand-/Rauch-/Hitzemelder (unterstützt von verschiedenen Netzwerken, häufig Twisted-Pair),
• Beleuchtungseinrichtungen (häufig mit Standardschaltkreisen mit Leistungsschalter für die Hauptbeleuchtung und separaten unterbrechungsfreien Stromversorgungskreisen [USV] für die wenigen Notbeleuchtungen),
• WLAN-Access Points (mit CAT5/7-Ethernet- oder Power over Ethernet [PoE]-Verkabelung zu den Internet-Routern),
• Lautsprecher für Durchsagen (mit analoger Audio-Verkabelung),
• Aktuatoren, die mit der Steuerung von Heizung, Lüftung und Klimaanlage verbunden sind und
• die Steuerung von Notfallvorrichtungen wie Ausgangsschildern, Sprinklerköpfen und Alarm-/Blitzleuchtenkästen.

In anspruchsvolleren Gebäuden kommen noch viele weitere Arten von Sensoren und Aktuatoren hinzu, die an der Decke montiert sind. Sie alle müssen mit Computernetzwerken verbunden werden, darunter Bewegungssensoren, digitale Schilder, Sensoren zur Überwachung der Luftqualität, Luftverteiler in engen Bereichen, individuell gesteuerte Beleuchtungskörper und Evakuierungshilfsgeräte.

Das große Problem bei der traditionellen Herangehensweise an die Verkabelung einer Decke mit diesen genannten Geräten besteht in der Komplexität, dem Zeitaufwand und den Kosten, die mit der Installation all dieser verschiedenen Netzwerke und der anschließenden Verbindung mit der großen Anzahl von Sensoren und Aktuatoren verbunden sind. Dieses Problem führt indirekt zu dem Trend von kubischen Bürogebäuden oder Großraumbüros, in denen viele von uns arbeiten. Wenn Bürowände bis zur Decke reichen, verlangen die Sicherheitsvorschriften, dass jeder geschlossene Raum über eigene deckenmontierte Sicherheits- und Beleuchtungsvorrichtungen mit Anschlüssen an ein halbes Dutzend oder mehr Netzwerke verfügt. Es ist deutlich einfacher, preiswerter und weniger komplex, eine homogene Decke über mehrere Tische oder niedrige Bürokabinen zu bauen und diese Decke nie verändern zu müssen, als die häufigen Änderungen an all diesen Netzwerken vornehmen und verwalten zu müssen, die bei hohen Wänden notwendig würden. Man braucht eine einfache Lösung, mit der sich die Funktionen all dieser Sensoren und Aktuatoren in einem einzigen gemeinsamen Netzwerk zusammenzuführen lassen. Diese Lösung muss einfach zu installieren und zu verändern sein (Abbildung 1).

Abbildung 1Die Installation von Geräten, wie z. B. einem Beamer, an einer intelligenten Decke kann in der Regel von der normalem Gebäudeinstandhaltung durchgeführt werden (Quelle: Eakrin Rasadonyindee/Shutterstock.com)

"Intelligente" Decken sind die Lösung

Hier kommt die smarte Decke ins Spiel. In einer gängigen Implementierung wird PoE (Power-over-Ethernet) verwendet, um alle an der Decke montierten Geräte über ein gemeinsames Twisted-Pair-Netzwerk sowohl mit Strom zu versorgen als auch mit ihnen zu kommunizieren. Ein zentraler PoE-Switch wird in der Regel in einem Kabelschrank in der Nähe des zu versorgenden Raumes installiert und CAT7-Kabel werden an den Montageort  jedes Deckengerätes gezogen. Da diese Kabel kostengünstig sind, können einige zusätzliche Verbindungen verlegt und aufgewickelt über der Decke verbleiben, um zukünftige Geräte zu versorgen. Der zentrale Switch ist mit dem Internet des Gebäudes verbunden, um genügend Bandbreite für die Verwaltung des erwarteten Datenverkehrs und die Verbindung der Sensoren und Aktuatoren mit dem Internet bereitzustellen. Der Switch ist außerdem mit dem Stromverteilungssystem des Gebäudes verbunden, um genügend Energie für den Betrieb aller an der Decke montierten Geräte bereitzustellen. Eine USV kann so dimensioniert werden, dass die Geräte, die für die Gebäudesicherheit oder Gebäudefunktion entscheidend sind, von Batterien oder Generatoren mit Strom versorgt werden. Der zentrale Switch kann auch lokale Edge-Computing-Prozessoren enthalten, die eine lokale Analyse und Steuerung der Systeme einer intelligenten Decke ermöglichen, ohne dass viele Daten in der Cloud hin- und hergeschickt werden müssen.

Das Hinzufügen oder Umkonfigurieren einer Komponente der smarten Zimmerdecke ist im obigen Szenario simpel: Einfach eine Deckenplatte herausnehmen, ein Ethernet-Kabel suchen, das Gerät montieren und anschließen und die Deckenplatte wieder einsetzen. Die Installation derartiger Niederspannungsgeräte für das Internet der Dinge (IoT) in PoE-Netzwerken kann in der Regel durch die normale Gebäudeinstandhaltung erfolgen, es ist normalerweise nicht nötig, hierfür einen Elektriker zu beauftragen. Die Geräte reichen von einem einfachen Temperatursensor über eine LED-basierte intelligente Beleuchtung (die an einem 60-W-PoE-Anschluss etwa so hell sein kann wie eine 400-Watt-Glühlampe) bis hin zu digitalen Schildern. Der PoE-Switch kann das neue Gerät automatisch erkennen, seinen Datenfluss und seine Stromversorgung konfigurieren und die Anwendungen in den lokalen Edge-Prozessor laden, mit dem sich die Gerätefunktionen voll ausschöpfen lassen.

Bei der Verbesserung der Vielseitigkeit, Effizienz und dem Komfort intelligenter Decken können wir sogar noch weiter gehen. PoE-Geräte können an einem stromschienenähnlichen Gerät an jeder beliebigen Stelle entlang seiner Länge verbunden werden. Wenn mehrere dieser Schienen in die Tragschienen der abgehängten Decke integriert sind und die erforderliche Netzwerkverkabelung enthalten, können IoT-Geräte in einem 2 x 2-Raster buchstäblich überall aufgehängt werden. Benötigen Sie mehr Licht oder einen Ventilator oder eine bessere WLAN-Abdeckung oder ein digitales Schild über Ihrem Arbeitsplatz? Nehmen Sie einfach Ihre Leiter und schließen Sie das entsprechende Gerät an der Schiene an. Das Netzwerk erkennt dieses neue Gerät innerhalb von wenigen Sekunden, konfiguriert und aktiviert es. Mein US-Patent 10.030.398 beschäftigt sich mit dieser Art von Systemen.

Darüber hinaus lässt sich die eigentliche Platzierung und Bewegung der deckenmontierten Geräte mit Hilfe von Robotertechniken automatisieren. Anstelle einer Stromversorgungschiene für die angeschlossenen Geräte können die Schienen auch eine Flotte von kleinen, motorisierten Shuttle-Fahrzeugen aufnehmen, die sich an der Decke bewegen, um die IoT-Geräte an beliebige, vom Benutzer oder einer Gebäudeautomatisierungssoftware vorgegebene Positionen zu bewegen. Über Weichen zwischen den vielen parallelen Schienen, die die Decke überspannen, gelangen die Shuttles an neue Orte oder können sich gegenseitig umgehen. In einem Gerätelager stehen verschiedene Ersatzgeräte bereit, die bei Bedarf an die Decke gefahren werden können. Bei diesem System kämen in die Schiene integrierte Schleifkontakte und Stromschienen zum Einsatz, um jedes IoT-Gerät (und den Roboter-Shuttle, der es beherbergt) mit Strom zu versorgen. Die Datenverbindungen zu den Geräten und den Shuttle-Fahrzeugen würden durch Lichtleiter innerhalb der Schienen oder über Funknetze erfolgen. In meinem US-Patent 10.148.355 sind Einzelheiten hierzu beschrieben.

Fazit

Smarte Gebäude benötigen smarte Zimmerdecken. Die Konfiguration und Neukonfiguration von an der Decke montierten Geräten kann teuer und ineffizient sein, aber der Umstieg auf "intelligente" Deckentechniken mit integrierten IoT-Netzwerken und lokalem Edge Computing kann zu einer deutlichen Verbesserung beitragen. Die fortschrittlichsten smarten Decken werden rekonfigurierbare Schienen und Robotertechniken verwenden und schaffen dadurch hochdynamische und individuell angepasste Umgebungen.