Bild 1: Blockschaltung einer typischen Smart-Sensing-Plattform.

Bild 1: Blockschaltung einer typischen Smart-Sensing-Plattform.STMicroelectronics

Der Trend zu immer mehr Intelligenz ist in elektronischen Produkten für alle Anwendungsgebiete feststellbar. Möglich ist diese Entwicklung dank des Einzugs von intelligenten Sensorfunktionen, digitalen Management-Features und Konnektivitätsfunktionen in die elektronischen Systeme. Sensoren, und hier speziell MEMS-Bauelemente, werden in den nächsten Jahren zu den vielversprechendsten Wachstumssegmenten auf dem Halbleitersektor gehören.

Eine typische Smart-Sensing-Plattform

Die in Bild 1 gezeigte Smart-Sensing-Plattform stellt eine komplette Lösung für fortschrittliche Smart-Sensing-Anwendungen dar. Die Grafik lässt die Unterteilung in fünf Funktionsabschnitte erkennen:

  • Motion MEMS: Beschleunigungssensor, Gyroskop, Digitalkompass-Modul und iNEMO Inertialmodul,
  • Umgebungssensoren: Druck-, Temperatur und Feuchtesensoren,
  • System- und Datenmanagement: Stromsparende Mikrocontroller (MCUs) als 8-Bit-Version (STM8L) oder mit 32-Bit-Architektur (STM32L1),
  • Konnektivität: Bluetooth Low Energy (BLE), Sub 1 GHz, Ethernet,
  • Benutzeroberflächen: Touchscreen, Proximity und Touchkey.

Auf einen Blick

Die erste Generation intelligenter Sensoren (Smart Sensors), zu denen unter anderem MEMS-Bewegungssensoren gehören, wurde zunächst in Consumer-Produkten wie etwa Spielkonsolen und Smartphones eingesetzt. Inzwischen haben intelligente Sensoren jedoch sämtliche elektronischen Anwendungen wie etwa Navigationssysteme, industrielle Applikationen und Gebäudeautomation sowie Healthcare- und Medizinprodukte erobert. Dazu muss eine Lösung drei entscheidende Voraussetzungen mitbringen: intelligente Sensorfunktionen, digitale Managementfunktionen mit Echtzeitsteuerung und eine fortschrittliche Konnektivitätslösung.

Eine genauere Betrachtung diese Plattform ergibt, dass der mit Motion MEMS bezeichnete Block einen Bewegungserfassungsteil mit neun Freiheitsgraden enthält. Dieser wiederum besteht aus dem Dreiachsen-Digitalgyroskop L3GD20, der Drehraten bis maximal ±2000 °/s erfasst, und einem als System-in-Package implementierten Digitalkompass-Modul LSM303DLHC). Letzteres enthält einen Dreiachsen-Sensor zur Erfassung linearer Beschleunigungen bis zu ±16 g sowie ein Dreiachsen-Magnetometer mit einem Messbereich von 8,1 Gauss. Zum Portfolio von ST gehört ferner der in einem Gehäuse untergebrachte digital-analoge Dreiachsen-Beschleunigssensor LIS3DH mit einem Messbereich bis zu ±24 g.

Im Environmental-Block implementieren Drucksensoren den zehnten Freiheitsgrad für die Bewegungserfassung. Mit ihrem absoluten Messbereich von 260 bis 1260 Millibar und ihrer Auflösung von 0,020 Millibar können der LPS331AP und der in der Entwicklung befindliche LPS25H Höhen so genau messen, dass die Messwerte bei der Indoor-Navigation zur Ermittlung des Stockwerks genutzt werden können. Die Druckinformation im Verbund mit analogen oder digitalen Temperatursensoren (STTS751, STLM20) und einem Feuchtesensor (HT221 – in der Entwicklung) mit einem absoluten Messbereich von 0 bis 100 Prozent relative Feuchte und einer Auflösung von >0,05 Prozent relative Feuchte bilden entscheidende Elemente für die Umgebungsüberwachung.

Der Connectivity-Block hält vier alternative Lösungen bereit:

  • Einen Bluetooth Low Energy (BLE) Controller (STBLC01 – in der Entwicklung) gemäß Bluetooth 4.0, mit einer Betriebsfrequenz von 2,45 GHz und Übertragungsraten von etwa 200 kbit/s.
  • Ein Zigbee-Produkt (STM32W) gemäß IEEE 802.15.4 für WPANs (Wireless Personal Area Networks) mit einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Übertragungsrate von 250 kbit/s.
  • Einen sehr sparsamen HF-Transceiver für das Sub-1-GHz-Band (Spirit 1), ausgelegt für den Betrieb in verschiedenen Frequenzbändern mit den Modulationsarten 2-FSK, GFSK, OOK, ASK und MSK.
  • Das ST-Produkt STE100P für schnelles Ethernet ist ein Transceiver für 10/100 Mbit/s. Der Baustein erfüllt die Standards IEEE802.3u 100Base-TX und IEEE802.3 10Base-T.

Für das digitale Management dieser Plattform besteht die Wahlmöglichkeit zwischen stromsparenden 8-Bit- und 32-Bit-Mikrocontrollern. Die Low-Power-Eigenschaften der Mikrocontroller sowie der übrigen Systemkomponenten sind entscheidende Merkmale nicht nur für portable Consumer-produkte, sondern auch für Überwachungssysteme, die rund um die Uhr aktiv sind und über eine Batterie als Netzausfall-Überbrückung verfügen.

Touch-Sensing-Produkte mit Touchscreen, Touchkey und Näherungssensor als Benutzerschnittstelle sind ein intuitives Ein- und Ausgabemedium, mit dem sich Einstellvorgänge in vielen Anwendungen, darunter beispielsweise In-Home-Displays, vereinfachen lassen.

In-Home-Displays mit HTTPS-Gateway

In unserer von Energieoptimierung und -erfassung geprägten Zeit sind die Menschen immer mehr daran interessiert, den Energieverbrauch in ihren eigenen vier Wänden zu kennen und zu managen. STMicroelectronics möchte mit mehreren, auf die Energiekontrolle ausgerichteten Anwendungen einen Beitrag zu diesen Bestrebungen leisten.

Bild 2: Das Smartplug-W-Board STEVAL-IHP004V1.

Bild 2: Das Smartplug-W-Board STEVAL-IHP004V1.STMicroelectronics

Ein sehr gutes Beispiel hierfür ist das In-Home-Display mit HTTPS-Gateway, das mit mehreren Smartplug W, einer weiteren maßgeblichen ST-Applikation im Bereich der Energieverbrauchs-Überwachung, interagiert. Smartplug W ist ein Evaluierungssystem, das in einem vermaschten Home Area Network (HAN) gemäß 802.15.4 operiert und für Energiemanagement- und Energiesparzwecke ausgelegt ist. Es bietet die folgenden Features:

  • Überwachung des Energieverbrauchs und elektrischer Parameter.
  • Vermeidung einer Überlastung des Stromnetzes und Management dezentraler Verbraucher in einem drahtlosen HAN.
  • Relaisbetätigung (ein/aus) mit Soft-Start/Stop-Funktionalität per Triac.
  • Router-Rollenkonfiguration zur einfachen Erweiterung des Maschen-Netzwerks durch weitere Sensoren.
  • 802.15.4 HA v2.0/E@H-Profil.

Das STEVAL-IHP004V1 ist ein Smartplug-W-Board auf der Basis eines Moduls vom Typ SPZB32W1x2.1, bestückt mit einem Mikrocontroller STM32W und einem Energiemesser-IC des Typs STPM10 (Bild 2). Es implementiert einen Zigbee-Messknoten, mit dem sich der Energieverbrauch messen und managen lässt.

Das Smartplug-W-Board kann als Anleitung zur Realisierung eines Energiemanagement-Subsystems für die Heim- und Gebäudeautomation dienen. In einer typischen Anwendung wird das Board in eine Wandsteckdose gesteckt. Es versorgt den angeschlossenen elektrischen Verbraucher und misst seinen Energieverbrauch. Mithilfe mehrerer Smartplugs ist es möglich, den Energieverbrauch eines ganzen Hauses oder Gebäudes Steckdose für Steckdose zu überwachen und zu steuern.

Bild 3: Ansicht des In-Home-Displays mit HTTPS-Gateway.

Bild 3: Ansicht des In-Home-Displays mit HTTPS-Gateway.STMicroelectronics

Das In-Home-Display mit HTTPS-Gateway ist ein Smartplug-W-Koordinator (Bild 3). Es stellt eine Datengateway-Applikation für den STM32F217 (auf Anfrage verfügbar) bereit, um das Smartplug-W-System über das STM3221G-EVAL (auf Anfrage verfügbar) mit passendem Daughterboard zu managen. Seine Features sind:

  • ein eingebetteter Secure SSL Web-Client, ein sicherer SSL-TCP/IP-Stack per Ethernet,
  • 802.15.4-Konnektivität mit Kompatibilität zum Smartplug W HAv2.0/E@H-Profil,
  • Smartplug W Discovery- und Identifikationsfunktion,
  • Ein/Aus-Befehl,
  • Überwachung des Energieverbrauchs,
  • Speicherung der Ethernet-Konfiguration in einem Dual-Interface-EEPROM M24LR64.

Dieses von ST als In-Home-Display-Gateway bezeichnete System besteht aus drei Hauptbauteilen: dem Evaluation-Board STM3221G-EVAL, angeschlossen an ein Ethernet-Netzwerk, dem Adapter-Board STEVAL-IDZ001V1, aufgesteckt auf das STM3221G-EVAL-Board, sowie einem Remote Web-Server.

Mithilfe dieser Infrastruktur übermittelt das System die von den Smartplug-W-Knoten gemeldeten Energiedaten der Verbraucher an einen dezentralen Web-Server, wo sie der Anwender von beliebigen Orten aus (zum Beispiel von einem PC mit Internet-Zugang) einsehen kann. Im Haus selbst kann das Management des gesamten Systems dagegen direkt über ein LCD-Touch-Panel erfolgen.

Die Firmware-Architektur ist so konzipiert, dass das STM3221G-EVAL-Board sämtliche Kommunikationsabläufe vom Anwender zum SPZB32W-Modul managt. Dabei wickelt das SPZB32W-Modul die Kommunikation mit den dezentralen Geräten mithilfe des 802.15.4-Protokolls ab. Die Kommunikation zwischen beiden Blöcken wird in serielle ASCII-Befehle codiert.

Die auf dem STM3221G-EVAL laufende Firmware ruft auf einen Bedienerbefehl hin die Informationen von den dezentralen Geräten ab und übermittelt die jeweiligen Energie- und Leistungsdaten mithilfe von GET-Befehlen an einen per Internet zugänglichen Remote HTTPS-Server.

Fazit

Analysiert man die im Artikel vorgestellten Produkte und Lösungen, so wird deutlich, dass eine Systemarchitektur für das Design einer integrierten, effizienten und intelligenten Lösung drei entscheidende Voraussetzungen mitbringen muss: Intelligente Sensorfunktionen, digitale Managementfunktionen mit Echtzeitsteuerung und eine fortschrittliche Konnektivitäts-Lösung.