Smart IoT-Baseball

Der israelische GPS-Modulhersteller Origin GPS nahm die selbstgestellte Herausforderung an, innerhalb von wenigen Wochen ein Cloud-basiertes IoT-System zu realisieren und das nur, um am US-Markt eine Demo zu präsentieren, mit der sich jeder US-Bürger identifizieren konnte – einen Cloud-basierten Baseball. Die Story ist schnell erzählt: nach der konzeptionellen Festlegung in Woche 1 ging es in Woche 2 an das eigentliche Design. In 6 Wochen war das Ganze vollendet.

Ausgehend von einem Prototypenmodul auf der Basis eines Moduls von Origin GPS und einem 3G-GSM-Modul von Sierra Wireless, verfügte der Baseball über die folgenden Eigenschaften: Datenverbindung über GSM, GNSS zur Positionsbestimmung, Kompass, Gyro, Beschleunigungs- und Temperatursensor, kabellose Ladefunktion.

IoT-System Origin IoT ORG2101

Aufsetzend auf den Prototypen des Demokonzepts ist das IoT-System Origin IoT ORG2101 entstanden. Es besteht aus den Hauptkomponenten:

In sechs Wochen zu einem Smart IoT-Baseball. OriginGPS/AcalBFI

• ST Micro ultra low Power Cortex M4 MCU, 80 MHz Takt, 1 MByte Flash
• Gemalto Cinterion GSM-Modem für 2G, 3G und Cat M
• Origin GPS Multi Spider (ORG4572) GNSS mit Origin GPS Noise Free Zone System (NFZ)
• externe Schnittstellen zur Ansteuerung von Peripheriekomponenten
• steckbare Add-On-Boards für Funktionen wie IMU, Wi-Fi, BLE, Sensorik und so weiter
• Versorgungsspannung 3,3 bis 4,8 V
• Abmessungen 27,6 × 18,8 × 5,35 mm³

Auf dem ST Microelectronics-Controller läuft eine Origin Smart embedded Firmware. Diese ermöglicht die Konfiguration und die Anbindung der Peripherie, sowie das Handling von Nachrichten von und zu den Peripherieeinheiten.

Auf dieser Firmware aufsetzend, stellt die Entwicklung eines IoT/Cloud-basierten Systems keine allzu großen Probleme dar. Das Ganze ermöglicht ein proprietäres Origin GPS-Übertagungsprotokoll. Auf Basis der embedded Firmware erreicht man schnell und mühelos mittels API, die in einer detaillierten Dokumentation genau beschrieben wird, das Ziel.

Das IoT-System Origin IoT ORG2101. OriginGPS/AcalBFI

GNSS-System

Das GNSS-System (global navigation satellite system) basiert auf einem ORG4752-Modul, das GPS und Glonass abdeckt, sowie SBAS, QZSS und weitere regional verfügbare Assistenzsysteme nutzen kann. Ein schnelles TTFF (Time To First Fix) in weniger als 10 s, eine Genauigkeit von zirka 1 m und eine Empfindlichkeit von -165 dBm sind die Hauptmerkmale der GNSS-Einheit.

Die zellulare Verbindung wird über ein Gemalto-Centerion-Modul der M2M-Familie für industrielle Anwendungen realisiert. An dieser Stelle ist der Einsatz eines 2G-, 3G-, LTE-Cat-1-, LTE-Cat-M- oder LTE-Cat-NB1-Moduls vorgesehen, je nach örtlicher Netzabdeckung. Das Modul ist als SIM-Karten-Version mit Nano SIM (4FF) oder mit embedded SIM, je nach Netzprovider verfügbar und für einen Betrieb im industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C ausgelegt.

Über eine Steckverbindung erhält man Zugang zu 12 GPIOs, wobei jeder dieser Pins über Software als Ausgang, Eingang oder alternative Peripheriefunktion konfiguriert werden kann. 12-Bit-A/D- und D/A-Wandler sowie I²C-Bus-Schnittstelle, zwei USART (asynchron/synchron) und zwei UART, sowie SPI und full speed OTG USB (USB 2.0) runden das Bild ab. Als Besonderheit komplettiert ein low power UART (LPUART) das Schnittstellenportfolio, der einen minimalen Stromverbrauch hat und eine Halbduplex-Eindrahtkommunikation sowie eine Multiprozessorkommunikation ermöglicht.

Powermanagement

Im Fall des Demobaseballs dürfte ein ausgeklügeltes Powermanagement weniger von Belang gewesen sein. Solange eine Akkuladung für einen Trainingstag reicht, ist das ausreichend. Vor dem nächsten Traingstag wird er einfach auf die Ladestation gelegt. Ganz anders sieht es aber aus, wenn man sich vergegenwärtigt, dass für viele Cloud-basierten Anwendungen Stromsparen oberstes Gebot ist, gilt es doch ein Gerät mehrere Jahre aus AAA-Zellen zu versorgen. Für diese Einsatzfälle sieht das Modul mehrere Möglichkeiten vor. Die MCU bietet dazu drei verschiedene Modi:

• Run – ist der Standardmodus nach dem Einschalten. Die Anwendung kann von hieraus in den Low-Power-Run oder Shut Down schalten. Shut Down erfordert das Setzen von Wake Ups oder Wake-Up-Ereignissen.
• Low Power Run – erfolgt über das Einstellen des Low-Power-Reglers um den Betriebsstrom zu minimieren. Die erforderliche Programmsequenz kann aus dem SRAM oder dem Flash laufen; die Taktfrequenz wird dabei auf 2 MHz reduziert.
• Shutdown – ermöglicht den geringsten Stromverbrauch, wobei der interne Spannungsregler und der Oszillator abgeschaltet werden. RTC bleibt aktiv, SRAM und Registerinhalte gehen allerdings verloren, wobei die Registerinhalte im Backupbereich erhalten bleiben. Ein Shut Down wird durch eines der folgenden Ereignisse beendet: externer Reset, Wake Up an einem entsprechenden Eingang oder einem RTC-basierten Ereignis, wie ein Alarm, ein periodisches Ereignis oder eine Zeitmarke. Wake-Up- und Reset-Pins sind an den Stecker herausgeführt.

Für das GSM-Modem sind ebenfalls über die Firmware Origin Smart konfigurierbare Stromsparmodi vorgesehen. Wenn das Modul beim Netzbetreiber als sich im Idle- Modus befindend geführt wird, ist es sendebereit, allerdings werden keine Daten übertragen. Befindet es sich im Sleep-Modus findet nur ein Paging statt. Ist das Modem in ein LTE-Netz eingebucht, sind je nach Festlegung des Netzwerkbetreibers Stromsparintervalle von 0,32 bis 2,56 s möglich, je nachdem welche Paging-Intervalle die Basisstation durchführt.

Stromsparmodi

Zusätzlich zu den Standardstromsparmodi wie Standby und Hibernate verfügt das GNSS-Modul über ein Adaptive Trickle Power (ATP). Es bietet die besten Voraussetzungen für Navigationslösungen, die einen bestimmten Level in Bezug auf minimale Stromaufnahme und die Fähigkeit schwachen Signalen zu folgen, erfordern. Dieser Modus bietet die genaueste Position von allen selbstgesteuerten Betriebsarten. In diesem Fall wird zyklisch zwischen Full Power, CPU only (15 mA) und Standby (<100 µA) umgeschaltet. Die ATP-Periode kann zwischen 1 und 10 s und Full-Power-Tracking und CPU only im Bereich von 200 bis 900 ms liegen.

Push to Fix (PTF) eignet sich am besten für Anwendungen, die keine regelmäßigen Navigationsergebnisse liefern müssen. In diesem Modus befindet sich das GNSS-Modul meistens im Hibernate-Zustand mit einer Stromaufnahme von weniger als 54 µA; es wird nur aktiv, um die Satellitendaten regelmäßig zu aktualisieren. Der Zyklus kann zwischen 10 s und 2 Stunden liegen. Während dieses Positionierungsversuches befindet sich das Modul im Full-Power-Modus, bis eine zuverlässige Position ermittelt wurde, oder bis ein voreingestelltes Time Out abgelaufen ist.

Advanced Power Management (APM) ist für drahtlos unterstützte GPS-Systeme gedacht. APM ermöglicht Stromeinsparungen, auch wenn der Signalpegel einbricht, ohne Einbußen bei der Systemqualität hinnehmen zu müssen. In diesem Modus wird das Modul in intelligenter Weise zyklisch zwischen den Modi Full Power und Hybernate umgeschaltet.

Auch wenn es oftmals aus Stromspargründen ein bewährtes Mittel ist, die Spannungsversorgung zu schalten, sollte hier auf diese Methode verzichtet werden und die Versorgung immer eingeschaltet bleiben, um die MCU für Wake-Up-Ereignisse in Bereitschaft zu halten. Außerdem würden andernfalls die Satellitendaten im RAM verloren gehen, womit eine bestmögliche TTFF nicht zu erzielen wäre.

Web-Applikation des OriginIoT-Systems OriginGPS/AcalBFI

Um eine Verbindung zur Web-Applikation herzustellen, stellt Origin GPS einen Server für Evaluierungszwecke sowie die Web-Applikation zur Verfügung. Genauere Erläuterungen hierzu finden sich in der Origin-IoT-EVK-Anwendungsbeschreibung. Zugangsdaten zu diesem Server bekommt man beim Origin-IoT-Partner.

Nutzen eines kompletten IoT-Moduls

Worin liegt der Nutzen solch eines kompletten IoT-Moduls? Es stellt eine Standardlösung dar, welche die Entwickler von der Lösung ungeahnter Problem entbindet. Ein IoT-Device zu entwickleln kann für den einen oder anderen deshalb eine Herausforderung darstellen, weil dem Hype IoT folgend oft nicht überschaut wird, welche Disziplinen auf einen zukommen. Das fängt bei der eigentlichen Schaltungsentwicklung an, geht über die Firmware- und Mechanikentwicklung weiter zur Netzanbindung. Hinzu kommen noch mobile App sowie Datenbankentwicklung und das Cloud Processing.

Laut einer Cisco-Studie von 2017 haben 60 % all derer, die sich an so ein Projekt gewagt haben, die Komplexität unterschätzt und 75 % der eigeninitiierten Projekte sind sogar final gescheitert. Um hier die Cisco-Statistik nicht zu bereichern, besteht die Möglichkeit, mit diesem Konzept sämtliche Facetten zu nutzen oder das Modul in eine eigene Umgebung einzubinden. Sollte es einmal notwendig werden dem Ganzen neue Funktionalität zu spendieren, dann reicht es aus, eine Tochter-Board zu ersetzen und online die Firmware zu aktualisieren (FOTA).

Unter dem viel zitierten Aspekt time-to-market haben wir hier einerseits eine Art Schweizer Taschenmesser, das es ermöglicht, schnell zu einer marktfähigen Lösung zu kommen. Andererseits besteht die Möglichkeit, Standardentwicklungszeiten von 52 Wochen und mehr auf 6 bis 8 Wochen zu drücken und die damit einhergehenden Entwicklungskosten von mehreren 100.000 € auf einen überschaubaren dreistelligen Bereich zu drücken.

(jj)