Implementierung von IoT-Sensoren – der einfache Weg

Wenn Ihre IoT-Anwendung eine Vielzahl von Sensoren und einen leistungsstarken IoT-verbundenen Prozessor sowie einen schnellen Weg zu einem funktionierenden Prototyp benötigt, dann sind die Sensor Mezzanine Board und SD 600eval von TE Connectivity (TE) die perfekten Lösungen.

Einleitung

Sensoren sind die Augen und Ohren des Internets der Dinge (IoT). Ohne Sensoren, woher würden die Informationen stammen, die die Big-Data-Analysen antreiben, die für IoT-Anwendungen entscheidend sind? Umweltsensoren tragen dazu bei, energieeffiziente Heiz- und Kühlsysteme in intelligenten Gebäuden zu ermöglichen, während Sensoren in großen landwirtschaftlichen Anwendungen die Feuchtigkeit und Bodenbedingungen testen, um eine effiziente Pflanzenpflege, Schädlingsbekämpfung, Ernte und sogar den Transport zu optimieren. Die Möglichkeiten, Sensordaten in Wissen umzuwandeln, das neue Unternehmen und Geschäftsmodelle vorantreibt, nehmen zu, sodass das schnelle Einbringen Ihrer neuen Idee auf den Markt das wichtigste Element für den Erfolg eines neuen IoT-Produkts sein kann.

Eine der besten Möglichkeiten, Ihre Time-to-Market zu beschleunigen, ist die Verwendung vorhandener Entwicklungshardware mit funktionierendem Code sowie Unterstützung durch Betriebssysteme und Anwendungen auf hoher Ebene. Für IoT-Anwendungen bedeutet dies in der Regel, eine Standard-Prozessorkarte zu erwerben, auf der Android, Linux oder Windows IoT Core bereits läuft. Eine Sensor-Erweiterungsplatine mit einer breiten Palette von Sensorfunktionen – Umwelt- und Positionssensoren – die mit der Hauptprozessorkarte kompatibel ist, würde ein komplettes System bieten, von dem aus Sie Ihre Anwendungen entwickeln können. Die Verwendung der Arrow SD 600eval-Prozessorkarte und der TE Connectivity (TE) Sensor Mezzanine Board könnte genau die Lösung sein, um Ihre IoT-Anwendungen in Rekordzeit zu entwickeln.

Verwendung einer Sensor-Entwicklungsplatine zur Beschleunigung Ihres Designs

Eine der schnellsten Möglichkeiten, Ihr Design voranzutreiben, besteht darin, mit einem Entwicklungsboard zu beginnen, das die Sensoren beherbergt, die Sie für Ihr Design benötigen. Dies ermöglicht es Ihnen, frühzeitig mit der Softwareentwicklung zu beginnen, noch bevor Sie die endgültige Form des Zielhardwarefaktors haben. Mit dem Aufstieg standardisierter Formfaktoren für Entwicklungskits, wie dem beliebten 96board-Standard, ist es viel einfacher geworden, Hauptplatinen wie die Arrow SD 600eval zu finden, die über die benötigte Rechenleistung, den internen Speicher und das Peripheriegeräteset für komplexe IoT-Anwendungen verfügen. Das Sensor Shield-Entwicklungsboard von TE, das in Abbildung 1 unten dargestellt ist, beherbergt drei beliebte Sensorgeräte in einem standardisierten Formfaktor, der mit dem 96board-Standard kompatibel ist.

Die auf dem Sensor Shield des TE verfügbaren Sensoren umfassen den MS8607 Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensor, den TSYS01 Temperatursensor und den KMA36 Dreh- und Linearpositionssensor. Diese Sensoren verwenden standardisierte serielle Schnittstellen, die eine einfache Verbindung mit einem Mikrocontroller ermöglichen, sowie fortschrittliche Funktionen, die ideal für Anwendungen im Bereich des Internet der Dinge sind.

Der kompakte Kombinationssensor MS8607

In vielen IoT-Anwendungen sind geringe Größe und niedriger Stromverbrauch entscheidende Anforderungen. Ein Kombinationssensor, der Druck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur in einem kleinen Gehäuse liefert, kann eine hervorragende Lösung für platz- und strombeschränkte Anwendungen sein. TEs MS8607 ist nicht nur kompakt, dank eines ultra-kleinen 5 x 3 x 1 mm QFN-Gehäuses (siehe Abbildung 2 unten), sondern bietet auch einen weiten Betriebsbereich von 10 bis 2000 mbar Druck, 0 % RH bis 100 % RH Luftfeuchtigkeit und -40 bis 85 °C Temperatur. Der MS8607 von TE bietet außerdem eine hervorragende Auflösung für gängige IoT-Anwendungen mit 0,016 mbar, 0,04 % RH und 0,01 °C. Die Versorgungsspannung arbeitet in einem weiten Bereich von 1,5V bis 3,6V, um einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch zu unterstützen. Die I2C-Serienschnittstelle erleichtert die Verbindung des MS8607 mit einem Standard-Mikrocontroller.

Die hochauflösende Druckfunktion in Kombination mit der hohen Druck-, Feuchtigkeits- und Temperaturlinearität (PHT) macht den MS8607 zu einem idealen Kandidaten für die Umweltüberwachung, wie beispielsweise als Höhenmesser in  Smartphones, Tablets und PCs, sowie für PHT-Anwendungen wie Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC), Wetterstationen, Präzisions-3D-Drucker, Haushaltsgeräte und Luftbefeuchter. Der MS8607 wird unter Verwendung einer bewährten MEMS-Technologie hergestellt, die seit über einem Jahrzehnt erfolgreich eingesetzt wird.

Der hochpräzise KMA36 Dreh- und Linearpositions-IC

Die Positionsbestimmung kann ein entscheidendes Element in industriellen IoT-Anwendungen sein, bei denen die Position eines mechanischen Elements wie eines Motors, Ventils oder Roboterarms einen komplexen Prozess steuert.  Oft sind in diesen Anwendungen kontaktloser Betrieb, hohe Präzision, Verschleißfestigkeit und Toleranz gegenüber Umweltveränderungen ebenfalls wesentliche Anforderungen. Das KMA36 von TE ist ein äußerst zuverlässiger, hochpräziser, universeller magnetischer Positionssensor-IC. Er bietet präzise Rotations- oder Linearmessungen mit einer Auflösung von bis zu 0,04 Grad unter Verwendung von 13 Bits. Wie in Abbildung 2 unten zu sehen ist, kombiniert er ein magnetoresistives Element mit einem Analog-Digital-Umwandler und Signalverarbeitungsfunktionen, vollständig integriert in einem Standard-TSSOP-Gehäuse mit kleiner Bauform. 

In Anwendungen, bei denen Präzision wichtig ist, ermöglicht die von TE verwendete anisotrope Magnetowiderstandstechnologie (AMR) des KMA36 eine präzise Bestimmung des magnetischen Winkels eines externen Magneten über einen vollständigen 360°-Bereich, ohne mechanischen Kontakt, sowie die inkrementelle Position auf einem Magnetpolstreifen mit einer Pollänge von 5 mm. Der Schlaf- und Niedrigstrommodus sowie ein automatisches Aufwecken über I2C machen den KMA36 zu einer ausgezeichneten Wahl für batteriebetriebene Anwendungen. Positionsdaten können über ein PWM-Signal oder eine digitale I2C-Schnittstelle für den eigenständigen Betrieb oder mikrocontrollerbasierte Anwendungen übertragen werden. Programmierbare Parameter bieten dem Benutzer eine Vielzahl an Konfigurationsmöglichkeiten, um die Weiterverarbeitung der Daten zu vereinfachen. Der KMA36 ist nahezu unempfindlich gegenüber magnetischem Drift aufgrund mechanischer Toleranzen, Temperaturänderungen oder thermischer Belastung. Sein wartungsfreier Betrieb und die hohe Bandbreite sorgen für robuste Implementierungen, selbst in rauen Industrieumgebungen.

Der TSYS01 Hochauflösungs-Temperatursensor

In vielen industriellen IoT-Verarbeitungsanwendungen ist eine präzise Temperaturmessung entscheidend. Schon eine kleine Temperaturabweichung bei einigen Industrieprozessen kann über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. In bestimmten Industrieprozessen hängt die Sicherheit der Bediener von diesen präzisen Messungen ab, was Präzision und eine robuste Funktionsweise noch wichtiger macht.  TE's TSYS01 ist ein Ein-Chip-Hochauflösungstemperatursensor. Er beinhaltet einen temperatursensitiven Chip und einen 24-Bit-Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler. Die Kombination des digitalen 24-Bit-Temperaturwertes und der werksseitig festgelegten Präzisionskalibrierungswerte bildet eine äußerst genaue Temperaturmessung mit hoher Messauflösung. Der TSYS01 kann über eine I2C- oder SPI-Schnittstelle an jeden Mikrocontroller angeschlossen werden. Der Mikrocontroller wird üblicherweise verwendet, um die Temperaturergebnisse basierend auf den ADC-Werten und den Kalibrierungsparametern zu berechnen.

Verbindung mit der Cloud über das SD 600eval-Board

Sobald Daten von einem Sensor erfasst wurden, müssen Sie möglicherweise die Daten weiterverarbeiten, die Ergebnisse mit Schwellenwert-Zielen vergleichen und die Daten an cloudbasierte Speicher übertragen, um sie dort für „Big-Data“-Analysen zu verarbeiten. Sensordaten, die beispielsweise von allen Motoren in einer Fabrik erfasst werden, können genutzt werden, um mechanischen Verschleiß vorherzusagen und proaktiv Ausfälle in der Produktionslinie zu verhindern. Wenn dem Motorhersteller die Daten aller Motoren aus allen Kundenfabriken zur Verfügung stehen, kann der Hersteller diese Daten für eine noch detailliertere Analyse kombinieren. Vielleicht kann der Motorhersteller sogar die Analyseergebnisse als Service an die Fabrikbesitzer verkaufen, um Wartungs- und Reparaturarbeiten zu optimieren. Die Nutzung von Datenanalysen aus Sensoren eröffnet völlig neue Geschäftsmodelle und Einnahmequellen für Unternehmen, die zuvor nur Produkte und keine Erkenntnisse verkauft haben.

Um die von TEs Sensor Board erfassten Daten mit der Cloud zu verbinden, wird eine Prozessor-Basisplatine benötigt. Für schnelles Prototyping und den Nachweis des Designs ist eine Basisplatine, die den gleichen 96board-Konnektivitätsformfaktor verwendet, ideal. Die Arrow SD 600eval-Platine, die in Abbildung 4 unten gezeigt wird, verwendet den sehr kompakten 96board-Standard, bietet jedoch zusätzlich signifikante Verarbeitungsleistung, verschiedene Konnektivitätsoptionen (einschließlich Wi-Fi) und bemerkenswerten Onboard-Speicher – alles, was für eine robuste Sensorverarbeitungsplattform mit Cloud-Konnektivität erforderlich ist.

Die Rechenleistung des SD 600eval basiert auf dem beliebten Snapdragon-Prozessor, der in einer Vielzahl von Mobiltelefonen und vernetzten Anwendungen verwendet wird. Durch die Nutzung des Snapdragon-Quad-Core-Prozessors ist es möglich, dass der SD 600eval sowohl Android als auch Linux ausführen kann, wodurch die größtmögliche Bandbreite an Konnektivität unterstützt wird. Die integrierten 2GB LPDRAM und 16GB eMMC-Speicher ermöglichen einen effizienten Betrieb dieser Betriebssysteme. Die Konnektivität, selbst in einem so kleinen Formfaktor, ist beeindruckend: Dual-Band 2,4 GHz und 5 GHz WLAN 802.11a/b/g/n/ac, Bluetooth 4.x + BR/EDR + BLE und GPS stehen sowohl mit externer als auch mit integrierter Antenne zur Verfügung. Gigabit-Ethernet- und SATA-Konnektivität werden ebenfalls unterstützt.

Multimedia-Funktionen sind ebenso beeindruckend mit einer 4-Lane-MIPI-Kamera-Seriellen Schnittstelle (CSI), einer 2-Lane-MIPI-CSI und 1080p-HD-Video-Wiedergabe. Die Audiobearbeitung umfasst PCM/AAC+/MP3/WMA mit ECNS und Audio+-Post-Processing. Zwei USB-2.0-Typ-A-Anschlüsse (nur Host-Modus) und ein OTG-USB-2.0-Anschluss über Micro AB bieten zusätzliche Verbindungsmöglichkeiten.  Ein 60-Pin-Hochgeschwindigkeitsanschluss und ein 40-Pin-Niedriggeschwindigkeitsanschluss sorgen für einfache Erweiterbarkeit.

Die Hardwarefunktionen sind beeindruckend, aber die verfügbare Software ermöglicht es, all diese Hardwarefähigkeiten direkt aus einem Anwendungsprogramm heraus zu nutzen. Die Entwicklung ist ein Kinderspiel mit Android oder Linux und den verfügbaren Treibern, Frameworks und Application Program Interfaces (APIs). Umfangreiche Benutzerhandbücher, Board Support Packages (Quellcode und Binärdateien), Bootloader und Installer verschaffen Ihrer Entwicklung einen enormen Vorsprung.

Fazit

Wenn Ihre IoT-Anwendung eine Vielzahl von Sensoren und einen leistungsstarken IoT-verbundenen Prozessor sowie einen schnellen Weg zu einem funktionierenden Prototyp benötigt, sind das Sensor Mezzanine Board von TE und das SD 600eval die perfekten Lösungen. Bestellen Sie das SD 600eval und die benötigten Sensoren von TE bei Arrow über die im Referenzabschnitt unten bereitgestellten Links. Zögern Sie nicht, starten Sie noch heute!