Umwelt-Analytik für das industrielle Internet der Dinge schnell bereitgestellt

Entwickler können für die Integration von Funktionen zur Messung von Umwelt-Parametern auf ausgefeilte Algorithmen zur Sensorfusion zurückgreifen. Mit diesen lassen sich Informationen zu Luftqualität, Temperatur, Feuchtigkeit und Gesamtkomfort generieren. Gesundheit und Komfort hängen auf eine Art und Weise eng mit Umgebungseinflüssen zusammen, die weit über die bloße Messung grundlegender Parameter hinausgeht. Die Wahrnehmung einer angenehmen Temperatur durch den Menschen hängt nicht nur von der Temperatur selbst, sondern auch vom Feuchtigkeitsgrad ab. Gesundheitsexperten fassen Temperatur und Feuchtigkeit zu einem Hitzeindex zusammen, der bei hohen Werten vor erheblichen Gesundheitsrisiken warnt. Der Hitzeindex prognostiziert, dass Personen, die bei einer bestimmten Umgebungstemperatur arbeiten, bei einer Zunahme der Feuchtigkeit erheblichen Gesundheitsrisiken ausgesetzt sein können (Bild 1).

Bild 1: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit haben in Kombination Auswirkungen auf den Menschen. Von daher ist es hilfreicher, beide Umwelt-Werte gleichzeitig zu messen. Nationaler Wetterdienst der USA

Bild 2: Der Mensch nimmt einen Komfortbereich wahr, der eng begrenzt wird von Schwankungen bei Temperatur und relativer Feuchtigkeit, die im Extremfall zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen können, etwa zu einem Hitzschlag. US-Bundesbehörde für Luftfahrt

Experten für Humanfaktoren gehen noch weiter und definieren einen subjektiven Komfortbereich, der auf einem neuen Parameter basiert, der effektiven Temperatur. Dieser Umwelt-Parameter kombiniert Temperatur und Feuchtigkeit in einem Index. Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderungen können schnell zu einer Umgebung führen, die sich für eine typische Person nicht mehr angenehm anfühlt (Bild 2).

Bild 3: Forscher haben festgestellt, dass die Leistung bei einer effektiven Temperatur außerhalb eines relativ kleinen Bereichs konstant abfällt. Lawrence Berkeley National Laboratory

Wie beim Hitzeindex können dramatische Änderungen von Temperatur, Feuchtigkeit oder beidem außerhalb des Komfortbereichs schnell zu einer Situation führen, die mehr als nur unangenehm ist. Über einem temperaturabhängigen Feuchtigkeitsgrad besteht sogar die Gefahr eines Hitzschlags. Während weit außerhalb des Komfortbereichs liegende Werte Auswirkungen auf die Gesundheit haben können, können bereits relativ moderate Änderungen der effektiven Temperatur die menschliche Leistungsfähigkeit beeinträchtigen (Bild 3).

Luftqualitätsindex

Bild 4: Umweltschutz- und Gesundheitsorganisationen verwenden einen Standard-Luftqualitätsindex, um die lokale Bevölkerung auf Luftbedingungen hinzuweisen, die eine Reihe von Gesundheitsrisiken darstellen können. Umweltschutzbehörder der USA

Es sind jedoch keineswegs nur Umwelt-Daten wie Temperatur und Feuchtigkeit, die sich auf Gesundheit und Wohlbefinden auswirken. Aus verschiedenen natürlichen und künstlichen Quellen stammende flüchtige organische Verbindungen stellen eine besonders tückische Gefahr für die Luftqualität dar. Aufgrund der Bedeutung der Luftqualität für die Gesundheit fassen Organisationen wie die Umweltschutzbehörde der USA die verschiedenen Parameter zur Definition der Luftqualität in einem einzigen Index zusammen (Bild 4). Der Luftqualitätsindex, der üblicherweise als Gesundheitsindikator für Städte und größere geografische Regionen angegeben wird, findet direkte Anwendung in Mikroklimata, Gebäuden sowie anderen Bereichen mit hohem Personenaufkommen. Hoch entwickelte Heiz-, Belüftungs- und Klimasysteme in großen Gebäuden sind im Rahmen der Steuerung des Luftstroms in irgendeiner Form auf die Messung der Luftqualität angewiesen.

Für Ingenieure bringen die komplexen Zusammenhänge zwischen grundlegenden Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und flüchtigen organischen Verbindungen erhebliche Herausforderungen beim Design von Sensorsystemen zum Erhalt von Gesundheit und Wohlbefinden mit sich. Auf der grundlegendsten Ebene müssen die Designer jeden einzelnen dieser Faktoren exakt messen.

In der Vergangenheit konnten die Entwickler diese Sensorikprobleme durch das Kombinieren von Wandlern mit maßgeschneiderten Signalketten zur Verarbeitung der Rohspannung und des Ausgangsstroms lösen. Mit dem Einzug intelligenter Sensoren konnte die Entwicklung von Erfassungssystemen erheblich vereinfacht werden. Durch die Integration von Wandler, Sensorsignalkette, Analog-Digital-Wandler (ADC) und Steuerungslogik können intelligente Sensoren eine Host-MCU mit exakten temperaturkompensierten digitalen Sensordaten versorgen. Die Entwickler müssen diese Bausteine lediglich über SPI- oder I²C-Schnittstellen mit den MCUs verbinden, die vom integrierten Sensor allgemein unterstützt werden.

Dennoch stellen selbst mehrere einzelne intelligente Umwelt-Sensoren keine effektive Lösung für abgeleitete Analysewerte wie den Komfortbereich und den Luftqualitätsindex dar. Außerdem führt die Verwendung mehrerer Sensoren zu komplexeren Designs, längeren Stücklisten und größerem Platzbedarf. Dieser Umstand erschwert es den Entwicklern, dem Wunsch der Kunden nach kleineren und effizienteren Designs nachzukommen.

Möglicherweise noch schlimmer ist, dass bei Designs mit mehreren Sensoren erhebliche Probleme bei den Funktionalitätsanforderungen auftreten. Das gilt auch für Designs mit intelligenten Sensoren. Selbst für das Ableiten eines so grundlegenden Messwerts wie der effektiven Temperatur müssen die Entwickler die zugrunde liegenden Sensormessungen zur Verwendung in den Sensorfusionsalgorithmen synchronisieren. Mit dem Bosch Sensortec BME680 entfallen diese Designbeschränkungen.

Mehr Details zum BME680 und wie sich sein Stromverbrauch regulieren lässt, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Integrierte intelligente Sensoren

Der BME680 ist ein integrierter Umgebungssensor. Er vereint Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Gassensoren in einem 8-poligen LGA-Gehäuse und misst lediglich 3 × 3 × 1 mm³. Insbesondere der Gassensor des Bausteins unterstützt Messungen der Luftqualität basierend auf der Messung einer Vielzahl an Gasen.

Der Umwelt-Sensor erreicht eine hohe Linearität und Genauigkeit. Sein Stromverbrauch bewegt sich dabei im normalen Betrieb lediglich im Mikroampere-Bereich (µA) und beträgt im Ruhemodus nur 0,16 µA. Bei typischen Betriebsbedingungen verbraucht der BME680 bei Temperaturmessungen lediglich 1,0 μA, bei kombinierten Messungen von Luftfeuchtigkeit, Druck und Temperatur nur 3,7 μA. Für Gasmessungen benötigt der Sensor aufgrund der Beschaffenheit des Sensorsubsystems zwischen 0,09 Milliampere (mA) und 12 mA, abhängig vom Betriebsmodus.

Der höhere Stromverbrauch bei Gasmessungen ist einem zweistufigen Prozess geschuldet. Beim eigentlichen Gassensor handelt es sich um einen Baustein auf Metalloxidbasis, dessen Widerstand sich bei Kontakt mit einer Vielzahl von flüchtigen organischen Verbindungen oder anderen Verunreinigungen in der Umgebungsluft ändert. Bevor der Sensor jedoch einsatzbereit ist, erhöht eine Heizung im Subsystem des Gassensors die Temperatur auf einen Wert, der für exakte Messungen erforderlich ist. Innerhalb des Subsystems des Gassensors regelt ein Heizungsregelblock über einen Regelkreis den Ausgang eines integrierten Digital-Analog-Wandlers (DAC). Im Gegenzug wird der DAC-Ausgang verwendet, um die in ein resistives Heizelement eingespeiste Strommenge anzupassen, um die Temperatur zu erhöhen.

Stromverbrauch regeln

Der BME680 bietet den Entwicklern verschiedene Methoden zur Regelung des Stromverbrauchs im Zusammenhang mit Gasmessungen. Die Entwickler können drei verschiedene Betriebsmodi verwenden, um die Aktualisierungsrate zugunsten des Stromverbrauchs zu verringern. Für Anwendungen, die maximale Aktualisierungsraten erfordern, kann der Gassensor in einem kontinuierlichen Modus betrieben werden, in dem bei einem Stromverbrauch von 12 mA pro Sekunde eine Aktualisierung erfolgt.

Bei Anwendungen mit geringeren Aktualisierungsraten können die Entwickler zwischen zwei verschiedenen Modi wählen. Im Niedrigleistungsmodus aktualisiert der Gassensor die Werte alle drei Sekunden und verbraucht dabei 0,9 mA. Bei Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch weit wichtiger ist als die Aktualisierungsrate, können die Entwickler den Gassensor im Ultra-Low-Power-Modus betreiben, in dem der Sensor zwar lediglich 0,09 mA verbraucht, aber nur alle 300 Sekunden eine Aktualisierung durchführt.

Neben den Unterschieden bei Aktualisierungsrate und Stromverbrauch weisen diese zwei Modi erhebliche Unterschiede bei der Reaktionszeit des Gassensors auf. Im Niedrigleistungsmodus beträgt die typische Reaktionszeit des Subsystems des Gassensors 1,4 s. Im Ultra-Low-Power-Modus ist die Reaktionszeit mit typischen 92 s erheblich länger.

Auf der nächsten Seite lesen Sie, wie Design und Entwicklung mit dem Umgebungssensor ablaufen und alles zum Ablauf seiner Erfassungssequenz.

Erfassungssequenz

Bild 5: Im erzwungenen Modus fragt der Bosch Sensortec BME680 seine Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensoren der Reihe nach ab, bevor er den Gassensor vor dem Abfragen aufheizt. Bosch Sensortec

Um einen unnötig hohen Stromverbrauch zu vermeiden, startet der BME680 im Ruhemodus und wartet dann auf einen Messbefehl. In den meisten Fällen betreiben die Entwickler den Baustein im erzwungenen Modus. Das hat zur Folge, dass der Baustein jeden seiner Sensoren automatisch sequenziell abfragt (Abbildung 5).

Im erzwungenen Modus führt der Baustein zuerst die Messungen mit den Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitssensoren durch, bevor er den Gassensor aufheizt und mit ihm eine Messung durchführt. Während der Aufheizphase erreicht das Heizelement üblicherweise Zieltemperaturen zwischen 200 °C und 400 °C. Diese Temperatur wird dann für die programmierte Heizdauer beibehalten. Da die Aufheizphase erst nach Durchführung der Messungen mit den anderen Sensoren stattfindet, vermeidet der Umwelt-Baustein direkte Auswirkungen des Heizelements auf diese Sensormessungen. Wenn die Aufheizphase abgeschlossen ist, generiert der ADC des Bausteins den Widerstandswert des Gassensors.

Die Signalkette des BME680 bietet den Entwicklern Methoden zur Optimierung bestimmter Messungen. Um RMS-Rauschen bei den Messungen zu verringern, können die Entwickler den Baustein so programmieren, dass für die Temperatur-, Feuchtigkeits- und Drucksensoren ein Oversampling durchgeführt wird. Außerdem lässt sich ein integrierter Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) aktivieren, um die Auswirkungen transienter Ereignisse auf Temperatur- und Drucksensormessungen zu verringern. Obwohl der interne IIR-Filter die Bandbreite dieser Messungen verringert, erhöht er ihre Auflösung von 16 Bit auf 20 Bit.

Design und Entwicklung mit dem BME680

Zur Beschleunigung von Designs stellt Bosch Sensortec einen Treiber inklusive API zur Verfügung, der die Softwareentwicklung für Designs mit dem BME680 vereinfacht. Für grundlegende Operationen wie etwa einen Datenabgleich müssen die Entwickler lediglich für jeden Sensor separate API-Funktionen aufrufen. So beinhalten die Aufrufparameter der Funktion calc_gas_resistance beispielsweise den ADC-Ausgang des Gassensors und eine BME60-Datenstruktur, die für den Zugriff auf im Baustein gespeicherte Kalibrierungsdaten verwendet wird.

Nützlichere Größen wie effektive Temperatur, Komfortgrad und Luftqualität werden jedoch mithilfe von Algorithmen aus den Rohdaten der Temperatur-, Feuchtigkeits- und Gassensoren abgeleitet. So ist beispielsweise die Luftqualität nicht nur von den Messwerten des Gassensors zu den flüchtigen organischen Verbindungen abhängig, sondern auch von der effektiven Temperatur, die wiederum von den Temperatur- und Feuchtigkeitswerten abhängt, die von diesen Sensoren gemessen werden. Zu diesen komplexen Algorithmen hinzu kommt außerdem die natürliche Sensordrift, die eine regelmäßige Kalibrierung erforderlich macht, um weiterhin exakte Messwerte zu erhalten. Das Softwarepaket Bosch Software Environmental Cluster (BSEC) nimmt sich dieser Probleme an und ermöglicht den Entwicklern das einfache Generieren der komplexen Informationen, die für Anwendungen für Gesundheit und Wohlbefinden erforderlich sind.

Bei dem auf einem Open-Source-Treibersatz für den BME680 aufbauenden BSEC handelt es sich um ein binäres Closed-Source-Paket, das die zur Sensorfusion benötigten Algorithmen implementiert. Im Rahmen der Systemkonfiguration können die Entwickler eigene Softwareroutinen für das Lesen und Schreiben von Busdaten angeben. Sowohl Treiber als auch BESC nutzen eine Bausteinstruktur, die Zeiger auf diese kundenspezifischen E/A-Routinen enthalten. Während der Programmausführung führt der Arbeitscode Busvorgänge aus, indem er die von diesen Zeigern in der Bausteinstruktur referenzierten Software-E/A-Routinen verwendet.

Für die Entwicklungsplattform selbst können Benutzer die mit Arduino kompatiblen Evaluierungskarten sowie alle Karten von Bosch Sensortec verwenden. Die BME680-Shuttle-Karte verfügt über V_DD-Analogversorgung und -Erde, V_DDIO-Digitalversorgung und -Erde sowie eine serielle Schnittstelle (Chipwahl, serieller Dateneingang, serieller Datenausgang, serieller Takteingang). Entwickler können die Shuttle-Karte für ihre eigenen MCU-basierten Designs verwenden oder sie einfach mit der Anwendungskarte von Bosch Sensortec verbinden.

(na)