Vernetzte Sensoren

Evaluationsboard und Raspberry Pi überwachen Maschinen

| Autor / Redakteur: Michael Lang* / Hendrik Härter

Das Aufsteckboard AMBER PI inklusive aller Sensorerweiterungen für den Raspberry Pi. Entwickler können mit dem Board eine Funkanwendung aufbauen.
Das Aufsteckboard AMBER PI inklusive aller Sensorerweiterungen für den Raspberry Pi. Entwickler können mit dem Board eine Funkanwendung aufbauen. (Bild: Würth elektronik)

Bei vielen IoT-Konzepten (Internet of Things) kommt es darauf an, dass Prozesse automatisiert gesteuert werden. LAN oder WLAN sind nicht immer verfügbar. Mit einem speziellen Evaluationsboard für den Raspberry Pi können Entwickler schnell eine Funkanwendung auf 868 MHz aufbauen.

Im smarten Gebäude oder der vernetzten Industrie (IoT) sehen viele Konzepte vor, Daten über Sensoren zu sammeln und möglichst vor Ort noch auszuwerten. Doch trotz IoT heißt es nicht, dass alle Komponenten über LAN oder WLAN verfügen. Für Entwickler gibt es nicht die fertige Lösung. Vielmehr bietet sich hier ein Evaluationsboard an, das sich bei Zulassungsarbeiten oder im Rahmen der Aus- und Weiterbildung einsetzen lässt. Bei dem Evaluationsboard AMBER PI handelt es sich um ein Design-Kit zur Funkanbindung zusammen mit einem Raspberry Pi. Das Evaluationsboard von Würth Elektronik bringt bereits verschiedene Sensoren mit. Somit haben Entwickler die Möglichkeit, ein funkbasiertes Sensornetzwerk selbst unter schwierigen räumlichen Bedingungen aufzubauen und damit schnell ein überschaubares Projekt zu überprüfen. Und da man dabei tatsächlich mit Sensordaten arbeitet, kann unter Umständen bereits ein Prototyp der Applikation getestet werden, die man mit den Daten füttern will.

Raspberry Pi verfügt bereits über die integrierten Funktechniken wie WLAN und Bluetooth, womit sich allerdings nur eine beschränkte Reichweite aufbauen lässt. Durch das Aufsteckboard AMBER PI lässt sich das Raspberry Pi mit weitreichender Funkkommunikation auszustatten. Entwickler können damit einen stromsparenden Sub-GHz-Funk erarbeiten und ein sogenanntes Low Power Wide Area Network (LPWAN) testen. Das Design Kit enthält neben der Hardware die notwendige Software, um das Raspberry Pi zu erweitern. Das Aufsteckboard eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein 40-Pin-Steckverbinder-Layout/einen 40-Pin Steckverbinder verfügen.

Energiesparendes Funkmodul

Das AMBER PI verfügt über zwei SPI- und zwei I²C-Schnittstellen, um Sensoren oder andere elektronische Komponenten anzubinden. Um die Variabilität und Anpassungsfähigkeit des Raspberry Pis trotz des Aufsteckboards beizubehalten, sind die Pins des AMBER PIs mit den Pins des Raspberry Pis durchverbunden. Dadurch lassen sich weitere Aufsteckboards anbringen. Herzstück des Design Kits ist das 868-MHz-Funkmodul Tarvos-III. Es wird über das UART-Interface des Raspberry Pi angesprochen. Es zeichnet sich durch seinen niedrigen Stromverbrauch von 26 mA @ 14 dBm Sendeleistung und 0,2 µA im Schlafzustand aus. Mit dem Tarvos-III kommuniziert der AMBER PI per Funk über eine Distanz von 2000 m. Zudem verfügt es über einen Long Range Mode, der eine Funkverbindung mit externer Antenne bis zu einer Reichweite von 10 km ermöglicht.

Selbst bei Entfernungen, die man mit Wi-Fi oder Bluetooth überbrücken könnte, bietet das 868-MHz-Band Vorteile: Es kann mit Interferenzen besser umgehen, da es einerseits weniger Funkkommunikation in diesem Frequenzbereich gibt und es von vorhandenen 2,4 GHz Netzen, wie WLAN nicht beeinflusst wird. Andererseits haben Hindernisse durch die niedrigere Frequenz weniger Einfluss auf die Funkqualität und Reichweite. Die große Wellenlänge bei rund 35 cm durchdringt Wände, Decken, Gebäude, Hindernisse und Personen problemlos. Das proprietäre Funkprotokoll von Würth Elektronik bietet Vorteile gegenüber anderen im gleichen Frequenzbereich, die auf lediglich/exakt/genau eine Anwendung ausgerichtet sind. Dazu gehören LoRa oder Sigfox, die ganz darauf ausgelegt sind, möglichst kleine Datenmengen möglichst weit zu versenden. Jeder Funkknoten mit einem AMBER PI lässt sich individuell für seinen Einsatz anpassen: auf höchstmögliche Reichweite bei einem großen Gelände oder auf bestmögliche Durchdringung bei massiven Betonwänden. Auf kürzere Distanzen kann auch auf eine höchstmögliche Datenrate von bis zu 400 kBit/s oder einen noch niedrigeren Energieverbrauch hin optimiert werden.

Flexibel konfigurieren

Der große Vorteil eines Test-Sensornetzwerks mit aufgerüsteten Raspberry Pis: Die Konfiguration ist komfortabel PC-basiert, doch die Ergebnisse können eins zu eins in eine zukünftige Funksensorknotenlösung unter Verwendung des Tarvos-III eingehen. Das Evaluationskit enthält drei hochpräzise Sensoren für Luftfeuchtigkeit/Temperatur, Luftdruck und 3-Achsen-Beschleunigung sowie ein Proto-SPI-Board für eigene Sensoren. Zur Evaluierung und Optimierung gehört dann auch, sinnvolle Abtastraten einzustellen, so dass beispielsweise ein Bewegungssensor alle 30 Sekunden, ein Thermometer aber vielleicht nur alle zehn Minuten abgefragt wird. Einem Always-on-Master stehen mögliche Slaves im Sleep-Modus gegenüber, die nur bei Bedarf abgefragt werden.

Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur.
Das PROTO SPI ist eine Platine, die alle vier SPI-Leitungen, sowie VCC und GND in einem Via-Raster mit 2,54 mm enthält. Weitere Sensoren sind der LIS2DW12 als ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor, der piezoresistive Drucksensor LPS22HB sowie der I²C-HTS221TR zum Messen von relativer Luftfeuchte und Temperatur. (Bild: Würth elektronik)

Mit dem AMBER PI können Entwickler spielerisch in das Thema Sensornetzwerk einsteigen, um einen LPWAN-Knoten auf Basis des Tarvos-III-Funkmoduls zu entwickeln. Das getestete und das zu realisierende System sind nahezu identisch, man kann die Einstellungen und Parameter übernehmen und geleistete Arbeit aus dem Evaluationsprojekt weiterverwenden. Die Programmierung des Raspberry Pis lässt sich teilweise für die Programmierung der später genutzten Controller verwenden. Da sowohl die Funkmodule wie auch die MEMS-Sensoren von Würth Elektronik sparsam sind, sind wartungsarme, eventuell durch Energy Harvesting unterstützte batteriebetriebene Funk-Sensor-Anwendungen möglich. Das Funkmodul misst 17 mm x 27 mm x 4 mm inklusive integrierter Antenne. Dank der kompakten Maße lässt es sich an verschiedenen Stellen einer Produktionsanlage unterbringen, um sie zu überwachen und zu steuern.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Elektronikpraxis.

* Michael Lang ist Field Sales Engineer bei Würth elektronik eiSos in Waldenburg.

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