Eckdaten

Zu einem marktreifen Produkt gehören neben der Hard- und Software auch Zulassungen und das Marketing. Alle Komponenten fügen sich idealerweise zu einem runden Konzept. Um das zu erreichen, zog Digital Concepts, Software-Spezialist für digitale Gebäude und IoT, die Polyrack Tech-Group hinzu. Sie erarbeiteten ein ganzheitliches Produktkonzept auf Basis des Raspberry Pi und eines Enocean-Funkmoduls.

Ein gemeinsames Entwicklungsteam evaluierte die verschiedenen Möglichkeiten für die Ausführung der Stromversorgung, Elektronik inklusive Anbindung der Antenne, des Gehäuses und der Installationsarten. Zudem galt es, die Normen für die EMV-Anforderungen zu klären und einen Kostenrahmen für das Endprodukt festzulegen. Da sich einige dieser Aspekte wechselseitig beeinflussen und Einfluss auf das Leiterplattendesign und Gehäuse haben, war es von großem Vorteil, dass Polyrack schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt des Projektes eingebunden war. So konnte beides von Anfang an aufeinander abgestimmt werden.

Aufbau des ganzheitlichen Produktkonzepts.

Aufbau des ganzheitlichen Produktkonzepts. Polyrack

Raspberry Pi und ein Enocean-Funkmodul bilden die Basis für ein Home-Automation-Gateway.

Raspberry Pi und ein Enocean-Funkmodul bilden die Basis für ein Home-Automation-Gateway. Polyrack

Das erste Gehäuse wurde in Blechbiege-Technik ausgeführt.

Das erste Gehäuse wurde in Blechbiege-Technik ausgeführt. Polyrack

Mit dem Strangpress-Profilgehäuse ließen sich die Kosten und der Montage-Aufwand senken.

Mit dem Strangpress-Profilgehäuse ließen sich die Kosten und der Montage-Aufwand senken. Polyrack

Für die Montage sollten Nutzer die Wahl haben zwischen einer Desktop-Version sowie der Anbringung an der Wand oder im Schaltschrank. Die Stromversorgung des Raspberry Pi war bis dahin nur über einen Micro-USB-Port möglich, der seitlich angeordnet war. Weil das Gateway auch die Schaltschrankmontage ermöglichen sollte, musste die Versorgungsbuchse jedoch verlegt werden. Beim ersten Konzept waren noch einige Änderungen zu erwarten, deshalb war es beim Gehäuse wichtig, dass es leicht zu ändern und für relativ geringe Stückzahlen bis zirka 500 kostengünstig und schnell realisierbar ist.

Aufgrund dieser Vorgaben, entschied sich das Team von Polyrack für ein Gehäuse aus Blechbiege-Technik. Dabei werden die Gehäuseteile aus einer zugeschnittenen und mit den erforderlichen Ausstanzungen versehenen Blechplatte gebogen. Da hierfür keine oder nur einfache Werkzeuge benötigt werden, rechnet sich die Blechbiege-Technik bereits für die Fertigung von Losgrößen ab 50. Als Grundmaterial für das Blechbiege-Gehäuse kommen Aluminium-Blech und Stahl- oder Edelstahl-Blech infrage. Dass auf Grundlage des Raspberry Pi ein industrietaugliches Produkt geschaffen werden kann, bewies der erste EMV-Test.

Raspberry Pi 2 fordert ein anderes Konzept

Mit Erscheinen des Folgemodells Raspberry Pi 2 – neu waren jetzt zwei Befestigungslöcher und einige anders belegte Pins – und neuen Software-Funktionen, die nach einer Real-Time-Clock verlangten, stellte sich die Frage: Wo lässt sich die Real-Time-Clock unterbringen und wie mit dem Standard Pi verbinden? Die Lösung war das SHIMRTC Pi Face, ein Erweiterungsboard für den Raspberry Pi mit batteriegestützter Echtzeit-Uhr und Kalender. Das Board kann direkt zwischen Addon-Board und Pi auf die IO-Pins gesteckt werden und behindert andere Erweiterungs-Boards nicht. Der Datenaustausch erfolgt über eine 12C-Schnittstelle. Auch wenn das Gateway abgeschaltet ist, stellt die Batterie eine fortlaufende Zeiterfassung sicher. Durch das neue Design wurde auch ein neues Gehäusekonzept erforderlich, das sich durch die Blechbiege-Technik ebenfalls schnell und kostengünstig umsetzen ließ.

Neue Herausforderungen

Während die Stückzahlen des Smart-Enocean-Gateways kontinuierlich nach oben gingen, gab es neue Herausforderungen zu meistern: Der Raspberry Pi 3 kam heraus – mit einem 1,2 GHz 64-Bit Quad-Core-ARM-Cortex-A53-Prozessor, integriertem 802.11n WLAN, LAN, Bluetooth-4.1-Modem und vollständig kompatibel zu Raspberry Pi 1 und 2. Gleichzeitig wuchs der Preisdruck auf das Gateway. Zudem sollte es fit für die Apple-Welt gemacht werden; durch die Integration des Apple-Authentification-Chips sollte das Gateway in den Apple-Home-Kit eingebunden werden können. Ziel war es, die neue Lösung bereits zwei Monate später vorzustellen.

Dies erforderte weitreichende Änderungen. So entschied sich das Entwicklungsteam dafür, alle bisherigen Elektronik-Komponenten, das heißt das Enocean-Pi-Modul, die Real-Time-Clock, deren Supercap sowie den Apple-Authentification-Chip, auf einem Addon-Board zusammenzufassen. Damit entfiel die Verdrahtung für Antenne und Versorgung wie auch die Montage dieser Komponenten. Polyrack übernahm sowohl den Entwurf als auch die Fertigung der Leiterplatte. Die Investition in die Leiterplatten-Entwicklung und die Einmalkosten der Produktion amortisierten sich bereits nach rund 600 Stück.

Mit dem veränderten Design wurde auch ein neues Gehäusekonzept fällig. Dies wurde zum Anlass genommen, den Montage-Aufwand auf ein Minimum zu reduzieren und die Kosten für das Gesamtprodukt zu senken. Deshalb fiel die Wahl nun auf eine andere Gehäusegestaltung und Fertigungstechnologie: Der Raspberry Pi und das Addon-Board wurden nun zusammengesteckt und in ein Standard-Strangpress-Profilgehäuse eingeschoben.

Das Team wählte dieses Verfahren, weil es die Möglichkeit bietet, Profile auch in komplizierten Formen und aus schwer umformbaren Werkstoffen herzustellen, welche relativ kostengünstig sind. Des Weiteren erlaubt es einen hohen, in einem Verfahrensschritt erreichbaren Umformgrad.

Als Grundlage diente ein Gehäuse, das aus einem anderen Projekt heraus entstanden war. Für das Enocean-Gateway musste lediglich die Front- und Rückplatte angepasst werden.

Damit erreichte das Entwicklungsteam wie gewünscht einen minimalen Montageaufwand, außerdem die Skalierbarkeit für Stückzahlen bis zu mehreren tausend Stück. Da ein Standard-Profilgehäuse genutzt wurde, war der Gehäusepreis bereits ab 100 Stück günstiger als die bisherige Lösung. Durch die Oberflächenbehandlung mittels Pulverbeschichtung sowie die Beschriftung und Logo-Anbringung per Tampondruck entstand zudem ein ebenso robustes wie optisch ansprechendes, wiedererkennbares Gesamtprodukt.