Entwicklung einer einfach zu verwendenden Evaluierungsplattform für Sensoren in drahtlosen Netzwerken

Die Fortschritte in der MEMS-Technologie haben dazu geführt, dass zahlreiche neue Sensoren für Anwendungen von der Bewegungssteuerung bis zur Biometrie und allem dazwischen verfügbar sind. Bei Projekten, die Sensoren einbeziehen, wird zunächst untersucht, welche Komponenten benötigt werden. Für diese Untersuchung ist Digi-Keys Produktauswahlhilfe für Sensoren eine ausgezeichnete Ressource, um potenzielle Sensoren zu identifizieren. Sobald ein Sensor identifiziert wurde, ist ein typischer nächster Schritt das Testen und Auswerten. Seien wir ehrlich, das Testen eines Sensors an Ihrem Arbeitstisch ist nur der Startpunkt. Man kann die Kommunikation und Funktionalität überprüfen, aber es ist besser, den Sensor in der Umgebung zu testen, in der er tatsächlich eingesetzt wird.

Abbildung 1. Sensor-Evaluierungsplattform, eingesetzt bei DigiKey. (Bildquelle: DigiKey)

Im Rahmen dieses Projekts sollte eine flexible Evaluierungsplattform entwickelt werden, die sich leicht an mehrere Sensoren anpassen lässt, Testdaten drahtlos an den Benutzer zurücksenden kann und die bereits verfügbare handelsübliche Hardware von DigiKey verwendet. Das Zigbee-Protokoll wurde für die drahtlose Datenkommunikation gewählt, da es mehrere unabhängige Funkkomponenten im Netzwerk ermöglicht und die Maschennetzfähigkeit eine erhöhte Reichweite und Netzwerkstabilität bietet. Um die Evaluierungsplattform zu testen, entschied ich mich für die Verwendung eines Umweltsensors, da unser Standort (Nordwest-Minnesota) eine Vielzahl von Wetterbedingungen bietet.

Sensor-Evaluierungsplattform

Das Zigbee-Modul Xbee3 von Digi ist der intelligente Controller für die Plattform. Zu den Gründen für die Wahl des Xbee3 gehört die Fähigkeit, als eigenständiger eingebetteter Controller fungieren zu können, er beinhaltet die drahtlose Zigbee-Funkkommunikation und unterstützt FOTA (Firmware Over The Air) für Remote-Updates. Für eine einfache Einrichtung wird das Xbee3 in ein Xbee-Grove-Entwicklungsboard eingesteckt, das die Xbee3-I/Os für einen einfachen Zugang auf Grove-Steckverbinder herausführt.

Abbildung 2: Sensor-Evaluierungsplattform (Bildquelle: DigiKey)

Die Zigbee-Funkhardware wurde in einem IP65-klassifizierten Bud-Gehäuse der Serie PN-1323-CMB montiert, so dass die Plattform in einer Außenumgebung platziert werden konnte. Um eine externe Schnittstelle zu einem I2C-Bus und einer 5V-Stromversorgung bereitzustellen, wurden panelmontierbare M8-Steckverbinder von TE Connectivity verwendet. Zum Anschluss der externen Antenne wurde ein u.FL-zu-RP-SMA-Panelmontageadapter 336320-12-0250 von Amphenol verwendet.

Einsatz der Plattform mit einem Umweltsensor

Als Umgebungssensor für den Testeinsatz wurde der MS8607 von TE Connectivity gewählt, der Druck, Temperatur und Feuchtigkeit misst. TE verfügt über ein Grove-MS8607-Evaluierungsboard, das eine sehr einfache Verbindung zur Sensor-Evaluierungsplattform ermöglicht. Die vollständigen Projektdetails, einschließlich des Quellcodes der Anwendung, sind auf der Projektseite Xbee3 Zigbee Outdoor MS8607 Pressure Temperature Humidity (PTH) Sensor auf der eeWiki-Website von DigiKey dokumentiert. Abbildung 3 zeigt die elektrischen Verbindungen und Schaltdiagramme zur Schnittstelle zwischen dem Sensor und der Zigbee-Funkplattform.

Abbildung 3: „Xbee3 Outdoor Zigbee PHT Sensor Projekt“ - Elektrische Verbindungen und Schaltdiagramme. (gezeichnet mit DigiKey Scheme-it®)

Die vollständige Stückliste (BOM) und die Projektdetails sind in dem untenstehenden DigiKey-Scheme-it®-Projekt enthalten.

Bei diesem Testprojekt wurde die Sensorplattform auf dem Dach des Hauptgebäudes von DigiKey eingesetzt. Abbildung 4 zeigt Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten, die vom PTH-Sensor im Februar 2020 gesammelt wurden.

Abbildung 4: Daten zu Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit. (Bildquelle: DigiKey)

Die Vorteile von FOTA in der Praxis

Nach der Installation der Sensorplattform auf dem Dach unseres Hauptgebäudes stellte ich fest, dass die Temperaturdaten des MS8607 nicht mit dem Sensor eines anderen Herstellers korrelierten, der in der gleichen Umgebung arbeitete. Bei einem früheren Test an meinem Schreibtisch bei Raumtemperatur hatten beide Sensoren ähnliche Messwerte, aber bei der Installation im Freien gab es bei kalter Temperatur einen signifikanten Unterschied. Nachdem ich das Datenblatt durchgesehen hatte, wurde mir klar, dass ich die sekundäre Niedertemperatur-Korrekturformel nicht in den MicroPython-Anwendungscode implementiert hatte. Da die Zigbee-Module Xbee3 von Digi die Aktualisierung der Firmware und der Anwendungsdateien per FOTA unterstützen, konnte ich meinen Anwendungscode bequem vom Schreibtisch aus über Funk korrigieren und aktualisieren. Ich musste nicht durch den Schnee stapfen, um die Sensorplattform zu bergen und sie zur Neuprogrammierung wieder ins Innere zu bringen. FOTA ermöglicht es einem Benutzer, sowohl die Firmware des Funkmoduls als auch die Micropython-Anwendung von einem anderen Zigbee-Knoten im selben Netzwerk aus zu aktualisieren. Informationen zur Implementierung von Xbee3 FOTA und ein Arbeitsbeispiel finden Sie im eeWiki-Projekt Xbee3 Firmware Over The Air (FOTA) update using XCTU.

Fazit

Die Zigbee-Funkmodule Xbee3 von Digi haben sich als intelligenter Controller für die Sensor-Evaluierungsplattform bewährt. Die Plattform ist flexibel und einfach für verschiedene Sensoren im Feld zu aktualisieren und zu modifizieren. Zigbee bietet ein robustes drahtloses Netzwerk für Sensordaten, das leicht erweiterbar ist.