Digitalisierungsprojekte haben viele Aspekte. Die wenigsten Lösungen gibt es out of the box, viele müssen aufwendig entwickelt und getestet werden. Gut, dass man manches mit vergleichsweise geringem Aufwand ausprobieren kann. Das Evaluationsboard AMBER PI zum Beispiel schreit geradezu danach, in Zulassungsarbeiten und Projekten im Rahmen der Ausbildung genutzt zu werden: Es handelt sich um ein Funkanwendungs-Design-Kit zum Aufstecken auf ein Raspberry Pi.

Da das Evaluationsboard von Würth Elektronik Sensoren mitbringt, bietet es sich an, die grundsätzliche Machbarkeit eines funkbasierten Sensornetzwerks unter den gegebenen räumlichen Bedingungen im Rahmen eines schnellen überschaubaren Projekts zu überprüfen. Und da man dabei tatsächlich mit Sensordaten arbeitet, kann unter Umständen bereits ein Prototyp der Applikation, die man mit den Daten füttern will, getestet werden.

Energiesparendes Funkmodul

AMBER PI

AMBER PI

Raspberry Pi verfügt bekanntlich bereits über die integrierten Funktechnologien WLAN und Bluetooth für Vernetzungen mit beschränkter Reichweite. Durch das Aufsteckboard AMBER PI bietet Würth Elektronik eine einfache Möglichkeit, das Raspberry Pi mit weitreichender Funkkommunikation auszustatten. Entwickler können damit sehr einfach stromsparende Sub-GHz-Funklösungen erarbeiten und ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) testen. Das Design Kit enthält neben der Hardware auch die nötige Software, um das Raspberry Pi zu erweitern.

Das Aufsteckboard eignet sich für alle Raspberry-Pi-Modelle, die über ein 40-Pin-Steckverbinder-Layout/einen 40-Pin Steckverbinder verfügen. Das AMBER PI verfügt über zwei SPI- und zwei I²C-Schnittstellen, um Sensoren oder andere elektronische Komponenten anzubinden. Um die Variabilität und Anpassungsfähigkeit des Raspberry Pis trotz des Aufsteckboards beizubehalten, sind die Pins des AMBER PIs mit den Pins des Raspberry Pis durchverbunden. Dadurch lassen sich weitere Aufsteckboards anbringen.

Herzstück des Design Kits ist das 868-MHz-Funkmodul Tarvos-III. Es wird über das UART-Interface des Raspberry Pi angesprochen. Es zeichnet sich durch seinen niedrigen Stromverbrauch von 26 mA@14dBm Sendeleistung und lediglich 0,2 µA im Schlafzustand aus, was gerade bei batteriebetriebenen Anwendungen von großer Bedeutung ist. Mit dem Tarvos-III kann per Funk über eine Distanz von 2000 m kommuniziert werden. Zudem verfügt es über einen Long Range Mode, der eine Funkverbindung mit externer Antenne bis zu einer Reichweite von 10 km ermöglicht. 

Flexibel konfigurierbar

Würth Elektronik eiSos_AMBER-PI_technical DraftSelbst bei Entfernungen, die man mit Wi-Fi oder Bluetooth überbrücken könnte, bietet das 868-MHz-Band Vorteile: Es kann mit Interferenzen besser umgehen, da es einerseits weniger Funkkommunikation in diesem Frequenzbereich gibt und es von vorhandenen 2,4 GHz Netzen, wie z. B. WLAN nicht beeinflusst wird.

Andererseits haben Hindernisse durch die niedrigere Frequenz weniger Einfluss auf die Funkqualität und Reichweite. Die große Wellenlänge (ca. 35 cm) durchdringt Wände, Decken, Gebäude, Hindernisse und Personen problemlos. Das proprietäre Funkprotokoll von Würth Elektronik hat auch Vorteile gegenüber anderen im gleichen Frequenzbereich, die auf lediglich/exakt/genau eine Anwendung ausgerichtet sind – etwa LoRa oder Sigfox, die ganz darauf ausgelegt sind, möglichst kleine Datenmengen möglichst weit zu versenden.

Jeder Funkknoten mit einem AMBER PI lässt sich individuell für seinen Einsatz anpassen: auf höchstmögliche Reichweite bei einem großen Gelände oder auf bestmögliche Durchdringung bei massiven Betonwänden. Auf kürzere Distanzen kann auch auf eine höchstmögliche Datenrate von bis zu 400 kbits oder einen noch niedrigeren Energieverbauch hin optimiert werden.

Faktoren abwägen

Der große Vorteil eines Test-Sensornetzwerks mit aufgerüsteten Raspberry Pis: Die Konfiguration ist komfortabel PC-basiert, doch die Ergebnisse können eins zu eins in eine zukünftige Funksensorknotenlösung unter Verwendung des Tarvos-III eingehen. Das Evaluationskit enthält drei hochpräzise Sensoren (Luftfeuchtigkeit/Temperatur, Luftdruck und 3-Achs-Beschleunigung) sowie ein Proto-SPI-Board für eigene Sensoren.

Zur Evaluierung und Optimierung gehört dann auch, sinnvolle Abtastraten einzustellen, so dass beispielsweise ein Bewegungssensor alle 30 Sekunden, ein Thermometer aber vielleicht nur alle zehn Minuten abgefragt wird. Einem Always-on-Master stehen mögliche Slaves im Sleep-Modus gegenüber, die nur bei Bedarf abgefragt werden.

Fazit: Vom „schau’n wir mal“ zum fundierten Projekt

So geradezu spielerisch, wie man mit dem Raspberry-Pi-Aufsteckboard von Würth Elektronik in das Thema Sensornetzwerk einsteigen kann, so weitreichend ist der Nutzen eines solchen Projekts, wenn tatsächlich in der Folge LPWAN-Knoten auf Basis des Tarvos-III-Funkmoduls entwickelt werden. Das getestete und das zu realisierende System sind nahezu identisch, man kann die Einstellungen und Parameter übernehmen und geleistete Arbeit aus dem Evaluationsprojekt weiterverwenden.

Die Programmierung des Raspberry Pis lässt sich zum Beispiel teilweise für die Programmierung der später genutzten Controller verwenden. Da sowohl die Funkmodule wie auch die MEMS-Sensoren von Würth Elektronik extrem sparsam sind, sind wartungsarme, eventuell durch Energy Harvesting unterstützte batteriebetriebene Funk-Sensor-Lösungen möglich. Dank der geringen Größe des Funkmoduls von nur 17 × 27 × 4 mm inklusive integrierter Antenne benötigen diese auch nicht viel Platz und können in der Anwendung zum Beispiel an verschiedensten Stellen einer Produktionsanlage untergebracht werden, um bei deren Überwachung und Steuerung zu helfen.

Weitere Informationen unter: www.katalog.we-online.de