Das Internet der Dinge ist bei der Integration von Multifunktionssensoren die treibende Kraft

Von Europäische Herausgeber

Zur Verfügung gestellt von Europäische Fachredakteure von Digi-Key

Das Internet der Dinge verändert unsere Welt. Sein großes Potenzial liegt in der Kombination von intelligenten Geräten mit extrem niedrigem Energieverbrauch für den Netzwerkzugang und Cloud-Computing zur Erkennung von Mustern in großen Datenmengen, um sinnvolle Informationen zu generieren. Zwei Aspekte, die seine Verbreitung fördern, sind Hochleistungs-Prozessoren zusammen mit intelligenten Geräten für den Netzwerkzugang, die zu so geringen Kosten hergestellt werden können und die so wenig Energie verbrauchen, dass ihr durchdringender Einsatz sowohl technisch als auch wirtschaftlich gegeben ist.

Vernetzung und Big Data sind die wesentlichen Aspekte, in denen sich das IoT von normaler Fernüberwachung und Fernsteuerung unterscheidet. Sein Umweltschutzpotenzial, seine positiven Auswirkungen auf den Geschäftserfolg und sein Einfluss auf das tägliche Leben beruhen nicht auf der Beobachtung und Auswertung von einer oder zwei Variablen, sondern auf der Analyse von mehreren Datenkanälen, um Trends zu erkennen und angemessen darauf reagieren zu können.

Beispiele dafür finden sich in der Automobilindustrie, wo führende Hersteller beginnen, mithilfe von Sensorinformationen, die aus einer großen Anzahl von Fahrzeugen gewonnen werden, den Kundendienst und die Entwicklung von neuen Produkten verbessern. Auf anderen Gebieten, z. B. bei Haushaltsgeräten, beginnen führende Hersteller, das Potenzial des IoT zur Verbesserung der Produkte und zur Förderung des Umsatzes mithilfe von Erkenntnissen einzusetzen, die durch die Erfassungen der Daten von Kundengeräten gewonnen wurden. Die Baubranche erwartet, dass eine globale Datenbasis zu Aufzügen und Rolltreppen zur Verbesserung der Wartung und der Entwicklung von künftigen Produkten beitragen kann.

Kombinationen von Sensordaten sind auch in vielen anderen Szenarien nützlich. Dazu gehören:

  • Umgebungsdaten wie die Erkennung von Gas in Bergwerken zur Erhöhung der Sicherheit am Arbeitsplatz.
  • Näherungssensoren im Straßenverkehr sowie Beschleunigungs- und Neigungssensoren an Bord von Fahrzeugen zur Unterstützung des autonomen Fahrens und zur Vermeidung von Unfällen.
  • Sensoren in Hotelzimmern zur Feststellung der Belegung ohne Störung der Privatsphäre. Dies ermöglicht dem Personal den Service ohne Betreten des Zimmers und führt zu einer Effizienz des Betriebs.
  • Medizinische Sensoren, mit denen Patienten- und Umgebungsdaten aufgezeichnet werden und an medizinisches Fachpersonal gesendet werden.
  • Telematik, die die Aufzeichnung von Daten zur Ermittlung von Sicherungsprämien auf der Grundlage des Fahrverhaltens und zur Förderung einer sicheren Fahrweise ermöglicht.  

Entwicklung und Nachfrage nach Multi-Sensor-Lösungen

In Fällen, in denen verschiedene Variablen gleichzeitig durch Sensoren überwacht werden müssen, spart eine Konsolidierung der Sensoren und der unterstützenden Elektronik Kosten und vereinfacht die Installation. Hochintegrierte Sensor-Evaluierungsplattformen unterstützen die Entwicklung von intelligenten Produkten mit mehreren Sensoren, die zum Anschließen an das Internet der Dinge bereit sind.

Arduino ist eine der Umgebungen, die die Entwicklung von Multi-Sensor-Lösungen vereinfachen. Der Arduino Lucky Shield ist z. B. eine Erweiterungsplatine, die mit allen Arduino-Standard-Platinen mit 5 V und 3,3 V kompatibel ist. Er umfasst Sensoren für Luftdruck, relative Höhe, Helligkeit, Temperatur, Bewegung und Anwesenheit. Diese Sensoren finden auf einer 68,6 mm x 53,4 mm großen Grundfläche Platz.

Der Einstieg mit dem Arduino Lucky Shield ist einfach, da auf „Arduino.org“ mehrere Tutorials bereitstehen. Darin wird am Beispiel einer Wetterstation behandelt, wie die Ausgaben für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck gelesen und an eine OLED-Anzeige gesendet werden. Abbildung 1 zeigt einen Auszug aus dem betreffenden Code, und Abbildung 2 zeigt, wie der ausgeführte Code die ausgelesenen Sensorwerte darstellt.

tmp_lbl = "Temper.:";

hum_lbl = "Humidity:";

pre_lbl = "Pressure:";

 

tmp_um = " C.";

hum_um = " %";

pre_um = " hPa";

}

 

void loop(){

 

luck.oled().clearDisplay();

 

tmp_val = String(luck.environment().temperature());

lucky.oled().setCursor(5, 10);

lucky.oled().print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);

Serial.print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);

 

hum_val = String(luck.environment().humidity());

lucky.oled().setCursor(5, 30);

lucky.oled().print(hum_lbl + hum_val + hum_um);

Serial.print(hum_lbl + hum_val + hum_um);

 

pre_val = String(luck.environment().temperature() / 100.0F);

lucky.oled().setCursor(5, 50);

lucky.oled().print(pre_lbl + pre_val + pre_um);

Serial.printIn(pre_lbl + pre_val + pre_um);

Abbildung 1: Code für eine Wetterstation aus dem Arduino-Tutorial.

Bild der Multi-Sensor-Platine „Arduino Lucky Shield“

Abbildung 2: Messung von Umgebungsbedingungen mit der Multi-Sensor-Platine „Arduino Lucky Shield“.

Platine X-NUCLEO-IKS01A2 von ST und SensorTile

STMicroelectronics bietet innerhalb seines Ökosystems STM32 mehrere Multi-Sensor-Evaluierungsplatinen an. Die X-NUCLEO-IKS01A2 ist eine Erweiterungsplatine mit Umgebungssensoren für Mikrocontroller-Basisplatinen vom Typ STM32 Nucleo. Sie umfasst einen MEMS-Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, ein Magnetometer, einen Sensor für den absoluten Luftdruck und einen kapazitiven Luftfeuchtigkeits- und Temperatursensor.

Das Ökosystem STM32Cube bietet Tools und Software für die Initialisierung und den Betrieb des Mikrocontrollers STM32. Darüber hinaus enthält die Software-Erweiterungsbibliothek für Umgebungssensoren X-CUBE-MEMS1 die zum Erstellen von Anwendungen mit dem X-NUCLEO-IKS01A2 erforderlichen Treiber. In dem Übersichtsdiagramm der Systemarchitektur auf Abbildung 3 erfüllt X-CUBE-MEMS1 die Aufgaben der Treiberschicht.

Bild der Systemarchitektur für die Sensorentwicklung im Ökosystem STM32

Abbildung 3: Systemarchitektur für die Sensorentwicklung im Ökosystem STM32.

Zur Verwendung der Sensoren für bestimmte Funktionen, z. B. zur Erkennung von Gesten oder von Aktivität, sind weitere Softwarebeispiele verfügbar, die zur Middleware-Schicht von Abbildung 3 gehören. Zu diesen zählen:

osxMotionAW: Softwareerweiterung zur Erkennung der Handgelenksaktivität in Echtzeit für STM32Cube

osxMotionAW: Softwareerweiterung zur Erkennung der Bewegungsintensität in Echtzeit für STM32Cube

osxMotionFX: Softwareerweiterung zur Sensordatenfusion in Echtzeit für STM32Cube

osxMotionGC: Software zur Gyroskop-Kalibrierung in Echtzeit für STM32Cube

osxMotionFX: Softwareerweiterung zur Positionsschätzung in Echtzeit für STM32Cube

Der Pseudo-Code in Abbildung 4 zeigt, wie MotionFX die Fusion von Bewegungssensordaten in Echtzeit implementiert.

Pseudocode-Sequenz Initialisierung (nur einmal erforderlich)

  1. Sensoren initialisieren (Beschleunigung und Gyro für 6-fache Fusion, dazu Magnetometer für 9-fache Fusion); beim Einschalten Spannungsspitzen abwarten, um verlässliche Daten zu erhalten
  2. MotionFX-Fusion initialisieren: osx_MotionFX_initialize()
  3. Magnetometer-Kalibrierung: osx_MotionFX_compass_Init()
  4. osx_MotionFX_getKnobs(); modify settings; _setKnobs()
  5. Zurücksetzen durch Deaktivieren der Fusion: osx_MotionFX_enable_6X(0) / _9X(0)

Fusion starten

  1. Gyro-Kalibrierung starten, wenn möglich: osx_MotionFX_setGbias()
  2. Magnetometer-Kalibrierung starten, wenn möglich: osx_MotionFX_compass_setCalibrationData()
  3. Datenfusion aktivieren: osx_MotionFX_enable_6X(1) / _9X(1)

Mit Anweisungen wie den folgenden können dann Sensordaten ausgelesen und Transaktionen gesteuert werden: osx_MotionFX_propagate() und osx_MotionFX_update()

Abbildung 4: Pseudocode für die Fusion von Sensordaten mit MotionFX.

IoT-Labor mit kleinem Formfaktor

ST hat kürzlich ein noch kleineres Multi-Sensor-Modul angekündigt, das als Sensor- und Kommunikations-Hub in einem Embedded-System oder als eigenständige Komponente zur Erfassung von Sensordaten mithilfe einer Smartphone-App verwendet werden kann. In dieses SensorTile sind ein MEMS-Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, ein Magnetometer, ein Sensor für absoluten Luftdruck und ein Mikrofon sowie ein STM32L4-Mikrocontroller und Bluetooth Low Energy (BLE) auf einer Platine im Briefmarkenformat integriert, die auf eine Hostplatine gelötet oder gesteckt werden kann.

ST bietet zum Einsatz im eigenständigen Modus eine Docking-Platine mit einem zusätzlichen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor an, die für den Einsatz von anderen Sensoren einfach modifiziert werden kann. Wenn das SensorTile in diesem Modus verwendet wird, kann es auf einem Smartphone über BLE (Bluetooth Low Energy) zum schnellen Erfassen von Sensordaten konfiguriert werden.

Zur Entwicklung von Embedded-Komponenten kann das SensorTile mithilfe einer anderen Docking-Platine in die Evaluierungsplatine STM32 Nucleo eingesteckt werden.

ARTIK-Plattform von Samsung mit Sicherheitsfunktionen für Unternehmen

Die ARTIK™-Plattform von Samsung bietet eine Reihe von Modulen. Die Skalierbarkeit reicht von kleinen Einheiten mit ARM®-Cortex®-M4-Mikrocontroller und Bluetooth-4.2-Unterstützung über die Familie ARTIK 5 mit Dual-Core-Cortex-A7-Prozessor und Unterstützung für Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee® und Thread bis zur Familie ARTIK 7, die mit dem Anwendungsprozessor Cortex-A35 glänzt. Die Familien ARTIK 5 und ARTIK 7 sind so leistungsfähig, dass sie als Gateways oder Controller eingesetzt werden können. Sie verfügen über unternehmenstaugliche Sicherheitsfunktionen, darunter ein Hardware-Sicherheitselement zur Speicherung von Schlüsseln und zur sicheren Ausführung von Verschlüsselungsalgorithmen und für sichere Betriebssysteme, die eine vertrauenswürdige Ausführungsumgebung bereitstellen. Top-Marken entwickeln IoT-Lösungen auf Grundlage des ARTIK-Ökosystems, und es stehen Kits für die Embedded-Entwicklung bereit, z. B. das Bluetooth-4.2-IoT-Endgerätekit ARTIK 020, das Bluetooth/Wi-Fi/ZigBee/Thread-Kit ARTIK 520 und das High-End-Kit ARTIK 710. Für die schnelle Multi-Sensor-Entwicklung empfiehlt sich die ARTIK-Sensor-Erweiterungsplatine, die mit den Kits ARTIK 5 und ARTIK 7 kompatibel ist. Diese Platine verfügt über einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen Feuchtigkeitssensor, ein Magnetometer, einen Luftdruck- und einen Temperatursensor. Sie wird wie in Abbildung 6 gezeigt mit einem Platinenrand-Steckverbinder als Ergänzungsplatine an die Haupt-Evaluierungsplatine angeschlossen.

Bild der Sensorerweiterungsplatine von Samsung mit einem ARTIK-5- oder ARTIK-7-Evaluierungskit

Abbildung 5: Verwendung der Sensorerweiterungsplatine mit einem ARTIK-5- oder ARTIK-7-Evaluierungskit.

Fazit

Bei den Sensorentwicklungsplatinen, die jetzt auf den Markt kommen, handelt es sich um kompakte Multi-Sensor-Module, die direkt oder mit minimalen Modifikationen in Endprodukten eingesetzt werden können, die für die vorderste Front des IoT bestimmt sind. Da die Nachfrage der Nutzer steigt und Cloud-basierte Analyseanwendungen immer intelligenter und kostengünstiger werden, werden erfindungsreiche Anwendungen entstehen, die mit den immer umfangreicher werdenden Sensordaten umgehen können.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

Europäische Herausgeber

Über den Verlag

Europäische Fachredakteure von Digi-Key