Vilipa - Erkennung von Personen und Gruppen in bestehenden Gebäuden auf Basis von sichtbarem Licht

Motivation und Forschungsfrage

Eines der Schlüsselelemente zur Bekämpfung der Energie- und Klimakrise besteht darin den Betrieb von Gebäuden energieeffizienter zu gestalten. Weltweit sind Gebäude für bis zu 40 % des Gesamtenergieverbrauchs verantwortlich. Daher werden viele Anstrengungen unternommen, um den Energieverbrauch von Gebäuden zu senken. Um dies zu erreichen, ohne den Komfort der Menschen im Gebäude zu senken, sind technologische Innovationen in verschiedenen Bereichen notwendig. Zuverlässige Belegungsinformationen sind dabei ein wesentlicher Aspekt, für den bedarfsgerechten, energieeffizienten Betrieb von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen Systeme eines Gebäudes. Zur Realisierung solcher Systeme werden derzeit unterschiedlichen Technologien und Methoden eingesetzt, die jedoch in vielen Fällen einen umfangreichen Installationsaufwand verursachen, und zudem hinsichtlich mancher eingesetzter Technologie, Datenschutzbedenken auslösen. Besonders im Bereich der Bestandsgebäude verhindert der zu erwartende Installationsaufwand aufgrund von wirtschaftlichen Bedenken den Einsatz von Belegungserkennungssystemen, obwohl das Potential solcher Systeme zur Senkung des Energiebedarfs außer Frage steht.

Ausgehend von der Notwendigkeit zur Realisierung von Belegungsinformationssystemen mittels bestehender Infrastruktur, wurde in diesem Sondierungsprojekt die Erweiterung der Funktionen der Beleuchtungsinfrastruktur in den Fokus gerückt. Der verfolgte Ansatz zur Erkennung von Personen anhand der Reflexion von sichtbarem Licht, hervorgerufen durch die Person selbst, bekannt unter dem Synonym Visible Light Sensing, und der daraus abgeleiteten Belegungserkennung in Bereichen von Gebäuden stellt einen solchen innovativen Ansatz dar. Die wesentlichen zu adressierenden Forschungsfragen zur Realisierung eines solchen Systems waren:

• Technische Machbarkeit eines Belegungserkennungssystems auf Basis des Visible Light Sensing
• Zuverlässige Erkennung bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen und Umgebungen
• Möglichkeiten zur Kommunikation ohne zusätzlichen Installationsaufwand
• Integrationsmöglichkeiten bzw. Ermöglichung von Retrofit Ansätzen

Projekt-Inhalte und Zielsetzungen

Projektziel war die Überprüfung der wirtschaftlichen und technischen Sinnhaftigkeit und der Umsetzbarkeit eines Ansatzes zur Generierung von Belegungsinformationen mittels in den Beleuchtungskörper integrierter photosensitiver Elemente, aufbauend auf der Technologie des Visible Light Sensing. Einer der Hauptaugenmerke lag dabei auf einer robusten, zuverlässigen Detektion von Personen, deren Bewegungsrichtung und deren Gehgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen und Umgebungszuständen. Insbesondere die große zu erwartende Variation der Reflektionen bzw. Intensitäten des reflektierten Licht, begründet in unterschiedlicher Körpergröße, Frisuren und Bekleidung stellte dabei eine Herausforderung dar, insbesondere im Bereich der Algorithmusentwicklung. Um das geplante System auch von wirtschaftlicher Seite für den Einsatz in Bestandsgebäuden umsetzbar zu machen, bestand ein weiterer Schwerpunkt des Projekts darin, die Kommunikation der Beleuchtungskörper zu ermöglichen, ohne der Notwendigkeit von zusätzlichem Installationsaufwand. Übergeordnetes Ziel der Sondierung war es das Potential zur Erweiterung der Funktionen der Beleuchtungsinfrastruktur zu demonstrieren und somit die Weiterentwicklung der Beleuchtung von einer reinen Lichtquelle hin zu einem aktiven Akteur im Gebäude weiter voranzutreiben.

Methodische Vorgehensweise

Die methodische Vorgehensweise folgte einem iterativen Entwicklungskonzept. So wurden bereits sehr früh im Projekt umfangreiche Messungen auf Einzelkomponenten bzw. Subsystemebene durchgeführt, um möglichst frühzeitig Problemstellungen aufzudecken und entsprechende Gegenmaßnahmen setzen zu können. Dies umfasste nicht nur die Charakterisierung der Auswirkungen von veränderten Lichtverhältnissen auf den Ansatz des Visible Light Sensing, sondern auch veränderte Umgebungseinflüsse, wie zum Beispiel unterschiedliche Bodenmaterialien. Diese frühzeitigen Messergebnisse und die daraus gewonnenen Erkenntnisse bildeten außerdem die Basis für die Konzeptentwicklung und Realisierung der erstellten Labormuster, sowohl hinsichtlich der eingesetzten Komponenten als auch im Bereich der Algorithmusentwicklung. Auch die Konzepterstellung sowie die schlussendliche Realisierung der Powerline Kommunikation der Labormuster folgte diesem iterativen Ansatz, beginnend mit der umfangreichen Erhebung der verfügbaren relevanten Komponenten über die Inbetriebnahme auf Einzelkomponenten bzw. Subsystemebenen bis hin zur Integration in die Labormuster. Die gefertigten Labormuster wurden schlussendlich in zahlreichen Messversuchen in unterschiedlichen Testbed-Umgebungen möglichst realitätsnah hinsichtlich der erreichbaren Resultate überprüft, optimiert und bewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Im Rahmen der umfangreichen Messversuche in unterschiedlichen Testbed-Umgebungen konnte die zuverlässige und robuste Umsetzung der Belegungserkennung mittels Visible Light Sensing demonstriert werden. Insbesondere die erreichte Unabhängigkeit von Umgebungseinflüssen (z.B.: Sonnenlicht) und der großen Variation der Parameter der Personen (Größe, Haare, Bekleidung) stellt dabei einen wesentlichen Mehrwert, besonders hinsichtlich weiterführender Tätigkeiten dar.
Ein wesentlicher dabei erreichter Aspekt war die Integration der photosensitiven Elemente in einen bestehenden zugekauften Beleuchtungskörper mit Standardabmessungen, der die einfache Installation bzw. die Möglichkeit einer Retrofit Lösung unterstreicht. Weiters konnte mit der realisierten Powerline Kommunikation die avisierte Schnittstelle erfolgreich umgesetzt werden, welche wiederum den Ansatz der möglichst unkomplizierten Realisierung unterstreicht.
Besonders die kompakte Bauform sowie der implementierte Algorithmus, konnten dabei den zukunftsträchtigen innovativen Ansatz unter Beweis stellen und die Machbarkeit sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht demonstrieren.

Ausblick

Die erfolgreiche Demonstration der auf Visible Light Sensing basierten Belegungserkennung, integriert in die Beleuchtungsinfrastruktur, ist die Basis für weitere Entwicklungen bzw. Transformation dieses Ansatzes in flächendeckende Anwendungen. Besonders der geringe Installationsaufwand, sowie die Wahrung der Privatsphäre der Personen stellen dabei einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Technologien und Methoden in diesem Bereich dar.

Projektleitung

• Dr. Andreas Peter Weiss
• Joanneum Research Forschungsgesellschaft.mbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

Graz University of Technology (TUG) - Institut für Hochfrequenztechnik (IHF)

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
MATERIALS - Institut für Oberflächentechnologien und Photonik Smart Connected Lighting
Dr. Andreas Peter Weiss
Industriestraße 6
A-7423 Pinkafeld
Tel.: +43 (316) 876-3605
E-Mail: andreas-peter.weiss@joanneum.at
Web: www.joanneum.at/materials/das-institut/forschungsgruppen/smart-connected-lighting