New Modulare Sensorplattform für IoT-Anwendungen · 2015. 12. 20. · Internet of Things - vom...

Internet of Things -vom Sensor bis zur Cloud

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22. Oktober 2015

Modulare Sensorplattform

für IoT-Anwendungen

Matthias Geiger, Sebastian Ziegler | Binder Elektronik GmbH Sinsheim


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22. Oktober 2015

Agenda

Firmenvorstellung

Anforderungen an IoT-Lösungen

Motivation / Problembeschreibung

Systemkonzept

HW-Design / Realisierung

SW / Cloud-Service

Zusammenfassung / Ausblick


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22. Oktober 2015

Firmenprofil- 1971 in Sinsheim gegründet

- Mitarbeiter: 35 (Voll-/ Teilzeit)(inkl. 1 Student, 2 Azubis)

- Dienstleistungen im Bereich der gesamten Elektronik

- Entwicklung, Produktion und Test von Modulen, Baugruppen und Systemen

- Ca. 40 Kunden aus Industrie, IKT, Medizintechnik und Forschung

- Mitarbeit in aktuellen vom bmb+f und BMWi geförderten Forschungs-verbundprojekten

- Mitglied in VDE-Mikromedizin, ZVEI, MST-BW, IMAPS

- Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001 und DIN EN ISO 13485

- Fertigung nach IPC-610-E


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22. Oktober 2015

IoT (Internet of Things) Digitale Vernetzung von Maschinen und Gegenständen

Gegenstände bekommen eine „eigene Intelligenz“

Informationen und Zustände aus der realen Welt möglichstbreit erfassen und in die virtuelle Welt übertragen

https://pixabay.com/en/

Anforderungen IoT (1)


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22. Oktober 2015

Plattform Ausreichende Rechenleistung und Speicher (ggf. skalierbar)

Energieeffizient (ULP, Powermanagement, Harvesting)

Small-Form-Factor- (SFF-) Design

Vernetzbarkeit (Standardisierte Schnittstellen)

Wireless (WLAN, Bluetooth)

drahtgebunden (Ethernet, USB)

Ökosystem einfache Programmierbarkeit

Erweiterbarkeit mit Peripheriegeräten, 3rd party Systeme

Langlebigkeit und Zuverlässigkeit

Kosten Material- und Bauteilekosten

Fertigungsaufwand

Anforderungen IoT (2)


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22. Oktober 2015

Intelligente Sensorknoten: Erfassung und Verarbeitung von (Umwelt-)Messwerten

Gateway: Kommunikation (bidirektional), Daten-

konzentrator und Internetanbindung

Cloud-Service: Speichern und bereitstellen von Messdaten

für Mensch und Maschine

Modular: Interface und Prozessor einheitlich

Sensorik für unterschiedliche Anwendungen: Raumluftüberwachung zur Klimasteuerung

Wetterstationen mit UV-Warnung

Präsenzmelder zur Hausautomation oder Anwesenheitskontrolle

Motivation (1)

http://www.rs-online.com


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22. Oktober 2015

Entwicklung einer kostengünstigen IoT-Plattform

Prinzip einer Open-Source-Plattform

Aufteilung in Gateway und individuelle Sensor-Sticks

Messdaten sollen drahtgebunden, als auch drahtlos übertragen werden

Die IoT-Sensorplattform soll es dem Anwender ermöglichen, eigene

sensorbasierte IoT-Applikationen zu entwickeln

Es sollen keine umfassende elektrotechnische Kenntnisse

vorausgesetzt werden müssen.

Gateway frei nach den Anforderungen des Anwenders programmierbar.

Beispielapplikation für unterschiedliche Szenarien Umweltdatenerfassung (P, T, H, UV)

PIR-Präsenzmelder (analog)

Aufgabenstellung


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22. Oktober 2015

Ausgangslage

- IntegrationsTechnologien für Autonome Sensorsysteme (10/12 – 06/15)

Gefördert durch: Projektträger:

ITAS - EVAL-Board für Sensorik

Sensorik-Evaluierungs-Board:

Beschleunigung

9DoF (a, ω, B)

Umwelt (T, P, H)

Temperatur

Beleuchtung

Licht und Abstand bis 200mm

Mikrofon (analog) mit LDO

und Vorverstärker

Messverstärker für Strommessungen

an den einzelnen Sensoren


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22. Oktober 2015

Intelligente Sensorknoten: Erfassung und Verarbeitung von (Umwelt-)Messwerten

Gateway: Kommunikation, Datenkonzentrator und Internetanbindung

Cloud-Service: Speichern und bereitstellen von Messdaten für Mensch und Maschine

Modular: Sensorknoten für unterschiedliche Anwendungen:

Raumluftüberwachung zur Klimasteuerung

Wetterstationen mit UV-Warnung

Präsenzmelder zur Hausautomation oder Anwesenheitskontrolle

Energieversorgung: Gateway: stationär netzgebunden

Sensorknoten: Akku (kommerzielle USB-Power-Bank)

Systemkonzept (1)


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Systemkonzept (2)


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Systemkonzept (3) Zentrales Gateway

Zentrale Intelligenz

USB/UART-, Bluetooth und WLAN-Interface

Kommunikation mit den Sensor-Sticks (bis zu 8 oder mehr über Router)

Cloud-Anbindung (WLAN)

Sensor-Stick Individuelle Sensorik

Lokale Intelligenz

USB/UART-, Bluetooth-Interface

Blockschaltbild des Gesamtsystems mit den möglichen Übertragungswegen


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Anwendungsszenario A:

Zeitgesteuert (Datenlogger)

Umweltdatenerfassung

Tracking

Systemkonzept (4)

Mode 1: Abtastung mit fester Frequenz Mode 2: einmalige Abtastung nach Interrupt

Abtastung einmalig nach Interrupt

Initialisierung

Sensoren einschalten

Sensoren auslesen

Sensoren ausschalten

Messwerte ausgeben

In den Sleepmode wechseln

bis Interrupt ausgelöst wird

Anwendungsszenario B:

Event getriggert (ereignisgesteuert)

Präsenzerkennung

Einbruchmelder


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HW-Design (1) Zentrales Gateway

Gateway empfängt die Daten der Sensor-Sticks

Das Gateway sendet Daten zum Host-PC (über USB) oder

Bei vorhandener Netzwerkverbindung zu einen IoT-Cloud- Service

Datenspeicherung und -visualisierung erfolgt auf dem Host-PC(NI - LabView) oder direkt über die Dienst des Cloud-Service

Blockschaltbild des Iot-Gateways


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HW-Design (2)

MCU/RF-Module(precertified)

USB (PC)

TWI-ExpansionConnector

USB-FF(Sensormodules)

WLAN

I2C/UART Converter

USB/UART Converter

I2C/IO Expander

Realisierung Gateway (66,0 x 47,0 mm)


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HW-Design (3) Sensor-Stick

einheitlicher Formfaktor

Einheitliches Interface (USB/UART, BTLE) und Intelligenz

Individuelle Sensorik Typ B: PIR (9stufig-analog) zur Präsenzmeldung

Typ A: Umweltsensorik (BME280 + VEML6070)

Blockschaltbild des Sensor-Sticks

http://www.bosch-sensortec.com

http://www.vishay.com


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HW-Design (4)

Realisierung der Sensor-Sticks (52,0 x 17,0 mm)

ARM-Cortex-M

T, H, P UVI UART/USB MUX

16 Mbit-FLASH

UART/USB Converter

USB Connector

2,4GHz Antenna

ARM-Cortex-M0PIR-Pre-AMP

PIR Sensor UART/USB MUX

AmbientLight sensor UART/USB Converter

USB Connector

2,4GHz Antenna

PCB-Layout Sensor-Stick

Sensorsarea

MCU/RF-SoC

Antenna

Interface

Typ A

Typ B


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HW-Design (5)

Zeitlicher Verlauf derStromaufnahme bei Typ B (PIR)

Energiebilanz Sensor-Sticks

Zeitlicher Verlauf derStromaufnahme bei Typ A (T, P, H, UV)

Basisstrom 1 mABasisstrom 900 µA

MCU-WakeUpevery 100ms

MeasurmentSensors

RF-Transmition RF-TransmitionMCU-WakeUpevery 100ms

with ADC

𝑄 = 𝑈 ∗ 0𝑡𝐼(𝑡) ≈ 5 mWs

==> USB-Power-Bank mit 2000 mAh > 80 d Laufzeit


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22. Oktober 2015

Software (1) Gateway

Benutzerprogrammierbar (Arduino-IDE)

WLAN (HTTP), 2,4GHz (BTLE, GZLL)

Datenfluss innerhalb des Gateways

_ LeerzeichenAAAA Einmalige, feste Sensormoduladresse [0…9, a…z, A…Z]BB Nutzdaten-ID (Hex) [0…9, a…f, A…F]C…C 0…n Nutzdatenzeichen [0…9, Punkt]

Legende zu Nachrichtenaufbau

Startzeichen *

Header AAAA_BB_

Nutzdaten C…C

Endzeichen \cr\lf

Nachrichtenaufbau

Nachrichtenaufbau Sensor -> Gateway


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Software (2) Gateway

Vereinfachter Programmablauf des Gateways

Ablaufdiagramm 2,4GHz-Datenübertragung (Quelle: Nordic Semiconductor)

Datenprotokoll Cloud-Dienst


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Software (3) Sensor-Stick

Automatische Schnittstellenauswahl

Datenfluss Sensor-Stick

Vereinfachter Ablauf der Sensorauswertung bei Typ B


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Software (4) Cloud-Service

Gateway bereitet die Daten so auf, dass sie an einen Cloud-Service (hier www.carriots.com ) übertragen werden können

Übertragung gesichert durch WLAN-Schlüssel sowie Zugriffs- und Rechteverwaltung des Cloud-Diensts

Durch die Open-Source-Plattform kann der Anwender eigene Cloud-Dienste hinzufügen oder zusätzliche Sicherheitsmechanismenintegrieren!

Web-Oberfläche für die Umwelt-Sensormodule (Typ A) Web-Oberfläche für die PR-Sensormodule (Typ B)

http://www.carriots.com/


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22. Oktober 2015

Zusammenfassung Kostengünstige IoT-Sensorplattform

für Datenlogging und Eventdetektion

Sensordatenfusion und Reduktion im Gateway

Vorteile dieser Lösung Einfache Integration zusätzlicher Sensorik

Nur Verwendung von Standardkomponenten

Energieversorgung über am Markt verfügbare Lösungen

Anpassung an alternative Cloud-Dienste leicht möglich

Implementierung von anwendungsspezifischer Auswertungen

Keine aufwändigen Parametrierungsmechanismen erforderlich

Ausblick Weiterer Plattformlösungen in Vorbereitung:

Harvesting Modul zur Energieversorgung

weitere Sensorik (kunden- / applikationsspezifisch) möglich


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22. Oktober 2015

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Haben Sie Fragen ?

Kontakt: Matthias GeigerTel: 06283/2235-36

Email: [email protected]: www.binder-elektronik.de

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