Rapid Prototyping mit einem steckbaren Baukastensystem

Bild 1: Eine moderne Straßenbeleuchtung kann gleichzeitig auch als Ladestation dienen. Smight

Als ein Teil des Internets der Dinge kann die Straßenbeleuchtung von morgen sehr viel mehr als nur die Straße beleuchten: Elektrofahrzeuge laden, Umweltdaten erfassen, Hilfe herbeirufen  und öffentliches WLAN  bereitstellen sind nur einige Beispiele (Bild 1). Eine solche multifunktionale Beleuchtung zu entwickeln, ist das Ziel von Smight, einem Startup des Energieversorgers EnBW. Beim Projektstart im Jahr 2014 ging es bei Smight – die Abkürzung steht für Smart City Light – noch primär darum, öffentlich frei zugängliches WLAN in bestehende Straßenbeleuchtungen zu integrieren. Doch dann kamen weitere Anwendungsideen hinzu: eine Lademöglichkeit für Elektrofahrzeuge, eine Notruffunktion für Passanten sowie die Integration von Umweltsensorik.

Flexibles Anpassen und Ausprobieren beim Prototyping

Bild 2: Das Tinkerforge-Baukastensystem besteht aus verschiedenen steckbaren Modulen. Tinkerforge

Schnell war klar, dass während des Projekts immer wieder neue Anforderungen an das System gestellt werden würden und somit das System laufend an die neuen Anforderungen angepasst werden müsste – zum Beispiel mittels geänderter oder ergänzender Sensoren. Die Entwicklung über klassische Hardware-Prototypen war daher keine Option, da diese Prototypen immer wieder hätten angepasst oder neu entwickelt werden müssten. Ein flexibles Anpassen und Ausprobieren neuer Ideen wäre somit nicht möglich gewesen.

Um dieses Dilemma zu lösen, suchte das Smight-Team nach einer Möglichkeit, ihr System möglichst flexibel und kostengünstig aufbauen zu können, ohne die Notwendigkeit für eine eigene Hardwareentwicklung. Mit Tinkerforge hat sich das Team für eine Lösung entschieden, die sowohl die Steuerung des Laternenmastes übernehmen konnte, als auch direkt die notwendigen Komponenten bot, um das Umweltsensorsystem aufzubauen. Tinkerforge ist ein Baukastensystem, das aus verschiedenen steckbaren Modulen besteht (Bild 2). Jedes Modul besitzt eine spezielle Aufgabe – von der Messung der Umgebungstemperatur bis hin zur Ansteuerung verschiedener Motortypen. Das Baukastensystem verfügt aktuell über 70 verschiedene Module, darunter diverse Sensoren, Motorsteuerungen, I/O- und Schnittstellenmodule. Der Preis der meisten Module liegt dabei unter 20 Euro.

Je nach Bedarf kann der Anwender sein individuelles System einfach über die Kombination der benötigten Module zusammenstellen. Eine anwendungsspezifische Hardwareentwicklung entfällt somit. Im Gegensatz zu der klassischen Entwicklung mittels Prototypen lässt sich das System auch jederzeit leicht an neue Anforderungen anpassen. Dazu müssen nur neue Module hinzugesteckt und nicht mehr benötigte Module entfernt werden. Ein weiterer Vorteil des Baukastensystems ist es, dass keine Embedded-Programmierung erfolgen muss. Softwareseitig stehen Bibliotheken für die Programmiersprachen C/C++, C#, Delphi/Lazarus, Java, Javascript, Labview, Mathematica, Matlab/Octave, Perl, PHP, Python, Ruby, Shell und Visual Basic .NET zur Verfügung. Damit ist eine einfache Steuerung der Module über Hochsprachen möglich.

Interne oder externe Steuerung möglich

Die Programmierschnittstelle (API) bietet einen hohen Grad der Abstraktion: Zum Beispiel lässt sich die Temperatur direkt in Grad Celsius auslesen oder der Luftdruck direkt in Millibar. Der Nutzer muss sich somit nicht um elektrotechnische Details kümmern, wie das Auswerten von Sensoren, den Umgang mit Bussystemen oder die Ansteuerung von Motoren. Mit der angebotenen API können die Module einfach in die eigene Software integriert werden. Zur Datenaufbereitung und -auswertung setzte Smight im Hintergrund auf Cloud-Plattformen großer Softwarehäuser, in welcher die Daten der Masten mit wenig Aufwand über die Java-Bibliotheken des Baukastensystems integriert werden konnten.

Im einfachsten Anwendungsfall steuert ein externer Rechner das Tinkerforge-Baukastensystem. Der vom Anwender entwickelte Programmcode wird auf dem Rechner ausgeführt und steuert die Hardware per USB. Mittels sogenannter Master Brick Extensions kann aber auch eine Ethernet- oder WLAN-Schnittstelle hinzugefügt werden, sodass die Steuerung über das Netzwerk oder das Internet erfolgen kann. Aus Nutzersicht ist dies transparent, sodass zuerst mit dem USB-Anschluss entwickelt werden kann und später auf WLAN umgestellt wird.

Soll ein autarkes System entwickelt werden, lassen sich entweder Single-Board-Computer wie zum Beispiel der Raspberry Pi als Steuereinheit einsetzen oder aber ein dediziertes Modul aus dem Baukasten: der Red Brick. Dabei handelt es sich um einen 4 cm x 4 cm kleiner Rechner mit 1GHz-ARM-Prozessor sowie USB- und HDMI-Anschluss, der andere Module des Baukastensystems steuern kann. Der Anwender kann seine Programme bequem per grafischer Oberfläche auf den Red Brick hochladen und verwalten, ohne sich dabei um die Konfiguration des darunter liegenden Linux-Betriebssystems kümmern zu müssen.

In den ersten Smight-Masten wurde das Tinkerforge-Baukastensystem direkt verbaut. Die Steuerung des Systems übernahm ein Red Brick, und die benötigten Sensoren wurden einfach zum System hinzugesteckt. Die Benutzerschnittstelle auf einem angeschlossenen TFT-Display zeigt die gemessenen Sensorwerte wie Temperatur, Lautstärke oder Luftfeuchtigkeit an. Sie führt den Nutzer aber auch, wenn ein Elektrofahrzeug geladen werden soll oder im Falle eines Notrufs. Die Nutzerschnittstelle ist in der Programmiersprache Python geschrieben und nutzt Qt als Benutzeroberflächen-Bibliothek. Die Schnittstelle ließ sich daher sehr schnell entwickeln.

Kundenspezifische Weiterentwicklung

Mit den ersten aufgestellten Masten konnte das Smight-Team wertvolle Erfahrungen sammeln und zügig den Weg für ein Massenmarkt-taugliches, individuell angepasstes Produkt freimachen. Tinkerforge entwickelte daraufhin ein System für Smight, das direkt auf deren Anforderungen zugeschnitten war. Konkret ging es dabei um eine kundenspezifische Weiterentwicklung der zuvor genutzten Komponenten, um zum einen die Kosten zu optimieren und zum anderen den Verdrahtungsaufwand innerhalb der Masten deutlich zu reduzieren.

Seit 2016 wird das individuelle System nun in alle Masten verbaut. Mit Smight steht nun die intelligente Straßenlaterne von morgen zur Verfügung. Die Masten gibt es in verschiedenen Ausführungen und mit diversen Optionen. So kann der Kunde verschiedene Lampentypen für den Mast wählen, zum Beispiel verschiedene stromsparende LED-Lampen. Wird keine Beleuchtung benötigt, kann auch nur eine Säule ohne Mast gewählt werden, in der dann je nach Kundenwunsch, Ladepunkte für Elektrofahrzeuge, WLAN, Notruffunktion, Umweltsensorik, Verkehrsmanagement und Parkraummanagement integriert werden kann.