Modulare Sensorplattform. für IoT-Anwendungen. Matthias Geiger, Sebastian Ziegler Binder Elektronik GmbH Sinsheim

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1 Modulare Sensorplattform für IoT-Anwendungen Matthias Geiger, Sebastian Ziegler Binder Elektronik GmbH Sinsheim Folie 1

2 Agenda Firmenvorstellung Anforderungen an IoT-Lösungen Motivation / Problembeschreibung Systemkonzept HW-Design / Realisierung SW / Cloud-Service Zusammenfassung / Ausblick Folie 2

3 in Sinsheim gegründet - Mitarbeiter: 35 (Voll-/ Teilzeit) (inkl. 1 Student, 2 Azubis) - Dienstleistungen im Bereich der gesamten Elektronik - Entwicklung, Produktion und Test von Modulen, Baugruppen und Systemen - Ca. 40 Kunden aus Industrie, IKT, Medizintechnik und Forschung - Mitarbeit in aktuellen vom bmb+f und BMWi geförderten Forschungsverbundprojekten - Mitglied in VDE-Mikromedizin, ZVEI, MST-BW, IMAPS - Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001 und DIN EN ISO Fertigung nach IPC-610-E Firmenprofil Folie 3

4 Anforderungen IoT (1) IoT (Internet of Things) Digitale Vernetzung von Maschinen und Gegenständen Gegenstände bekommen eine eigene Intelligenz Informationen und Zustände aus der realen Welt möglichst breit erfassen und in die virtuelle Welt übertragen Folie 4

5 Plattform Ausreichende Rechenleistung und Speicher (ggf. skalierbar) Energieeffizient (ULP, Powermanagement, Harvesting) Small-Form-Factor- (SFF-) Design Vernetzbarkeit (Standardisierte Schnittstellen) Wireless (WLAN, Bluetooth) drahtgebunden (Ethernet, USB) Ökosystem einfache Programmierbarkeit Erweiterbarkeit mit Peripheriegeräten, 3rd party Systeme Langlebigkeit und Zuverlässigkeit Kosten Material- und Bauteilekosten Fertigungsaufwand Anforderungen IoT (2) Folie 5

6 Motivation (1) Intelligente Sensorknoten: Erfassung und Verarbeitung von (Umwelt-)Messwerten Gateway: Kommunikation (bidirektional), Datenkonzentrator und Internetanbindung Cloud-Service: Speichern und bereitstellen von Messdaten für Mensch und Maschine Modular: Interface und Prozessor einheitlich Sensorik für unterschiedliche Anwendungen: Raumluftüberwachung zur Klimasteuerung Wetterstationen mit UV-Warnung Präsenzmelder zur Hausautomation oder Anwesenheitskontrolle Folie 6

7 Entwicklung einer kostengünstigen IoT-Plattform Prinzip einer Open-Source-Plattform Aufteilung in Gateway und individuelle Sensor-Sticks Messdaten sollen drahtgebunden, als auch drahtlos übertragen werden Die IoT-Sensorplattform soll es dem Anwender ermöglichen, eigene sensorbasierte IoT-Applikationen zu entwickeln Es sollen keine umfassende elektrotechnische Kenntnisse vorausgesetzt werden müssen. Aufgabenstellung Gateway frei nach den Anforderungen des Anwenders programmierbar. Beispielapplikation für unterschiedliche Szenarien Umweltdatenerfassung (P, T, H, UV) PIR-Präsenzmelder (analog) Folie 7

8 Ausgangslage - IntegrationsTechnologien für Autonome Sensorsysteme (10/12 06/15) Sensorik-Evaluierungs-Board: Beschleunigung 9DoF (a, ω, B) Umwelt (T, P, H) Temperatur Beleuchtung Licht und Abstand bis 200mm Mikrofon (analog) mit LDO und Vorverstärker Messverstärker für Strommessungen Gefördert durch: an den einzelnen Sensoren Projektträger: ITAS - EVAL-Board für Sensorik Folie 8

9 Systemkonzept (1) Intelligente Sensorknoten: Erfassung und Verarbeitung von (Umwelt-)Messwerten Gateway: Kommunikation, Datenkonzentrator und Internetanbindung Cloud-Service: Speichern und bereitstellen von Messdaten für Mensch und Maschine Modular: Sensorknoten für unterschiedliche Anwendungen: Raumluftüberwachung zur Klimasteuerung Wetterstationen mit UV-Warnung Präsenzmelder zur Hausautomation oder Anwesenheitskontrolle Energieversorgung: Gateway: stationär netzgebunden Sensorknoten: Akku (kommerzielle USB-Power-Bank) Folie 9

10 Systemkonzept (2) Folie 10

11 Systemkonzept (3) Zentrales Gateway Zentrale Intelligenz USB/UART-, Bluetooth und WLAN-Interface Kommunikation mit den Sensor-Sticks (bis zu 8 oder mehr über Router) Cloud-Anbindung (WLAN) Sensor-Stick Individuelle Sensorik Lokale Intelligenz USB/UART-, Bluetooth-Interface Blockschaltbild des Gesamtsystems mit den möglichen Übertragungswegen Folie 11

12 Systemkonzept (4) Anwendungsszenario A: Zeitgesteuert (Datenlogger) Umweltdatenerfassung Tracking Anwendungsszenario B: Event getriggert (ereignisgesteuert) Präsenzerkennung Einbruchmelder Abtastung einmalig nach Interrupt Initialisierung Sensoren einschalten Sensoren auslesen Sensoren ausschalten Messwerte ausgeben In den Sleepmode wechseln bis Interrupt ausgelöst wird Mode 1: Abtastung mit fester Frequenz Mode 2: einmalige Abtastung nach Interrupt Folie 12

13 HW-Design (1) Zentrales Gateway Gateway empfängt die Daten der Sensor-Sticks Das Gateway sendet Daten zum Host-PC (über USB) oder Bei vorhandener Netzwerkverbindung zu einen IoT-Cloud- Service Datenspeicherung und -visualisierung erfolgt auf dem Host-PC (NI - LabView) oder direkt über die Dienst des Cloud-Service Blockschaltbild des Iot-Gateways Folie 13

14 HW-Design (2) MCU/RF-Module (precertified) USB-FF (Sensormodules) I2C/IO Expander USB (PC) WLAN USB/UART Converter TWI-Expansion Connector I2C/UART Converter Realisierung Gateway (66,0 x 47,0 mm) Folie 14

15 HW-Design (3) Sensor-Stick einheitlicher Formfaktor Einheitliches Interface (USB/UART, BTLE) und Intelligenz Individuelle Sensorik Typ B: PIR (9stufig-analog) zur Präsenzmeldung Typ A: Umweltsensorik (BME280 + VEML6070) Blockschaltbild des Sensor-Sticks Folie 15

16 HW-Design (4) ARM-Cortex-M T, H, P UVI UART/USB MUX Typ A USB Connector Antenna MCU/RF -SoC 2,4GHz Antenna 16 Mbit-FLASH ARM-Cortex-M0 PIR-Pre-AMP PIR Sensor UART/USB Converter Sensors area UART/USB MUX Typ B USB Connector Interface 2,4GHz Antenna Ambient Light sensor UART/USB Converter Realisierung der Sensor-Sticks (52,0 x 17,0 mm) PCB-Layout Sensor-Stick Folie 16

17 Energiebilanz Sensor-Sticks HW-Design (5) MCU-WakeUp every 100ms Measurment Sensors RF-Transmition MCU-WakeUp every 100ms with ADC RF-Transmition Basisstrom 900 µa Basisstrom 1 ma Zeitlicher Verlauf der Stromaufnahme bei Typ A (T, P, H, UV) Zeitlicher Verlauf der Stromaufnahme bei Typ B (PIR) Q = U 0 t I(t) 5 mws ==> USB-Power-Bank mit 2000 mah > 80 d Laufzeit Folie 17

18 Software (1) Gateway Benutzerprogrammierbar (Arduino-IDE) WLAN (HTTP), 2,4GHz (BTLE, GZLL) Datenfluss innerhalb des Gateways Nachrichtenaufbau Startzeichen * Header AAAA_BB_ Nutzdaten C C Endzeichen \cr\lf Legende zu Nachrichtenaufbau _ Leerzeichen AAAA Einmalige, feste Sensormoduladresse [0 9, a z, A Z] BB Nutzdaten-ID (Hex) [0 9, a f, A F] C C 0 n Nutzdatenzeichen [0 9, Punkt] Nachrichtenaufbau Sensor -> Gateway Folie 18

19 Gateway Software (2) Ablaufdiagramm 2,4GHz-Datenübertragung (Quelle: Nordic Semiconductor) Datenprotokoll Cloud-Dienst Vereinfachter Programmablauf des Gateways Folie 19

20 Sensor-Stick Software (3) Datenfluss Sensor-Stick Automatische Schnittstellenauswahl Vereinfachter Ablauf der Sensorauswertung bei Typ B Folie 20

21 Software (4) Cloud-Service Gateway bereitet die Daten so auf, dass sie an einen Cloud-Service (hier ) übertragen werden können Übertragung gesichert durch WLAN-Schlüssel sowie Zugriffs- und Rechteverwaltung des Cloud-Diensts Durch die Open-Source-Plattform kann der Anwender eigene Cloud-Dienste hinzufügen oder zusätzliche Sicherheitsmechanismen integrieren! Web-Oberfläche für die Umwelt-Sensormodule (Typ A) Web-Oberfläche für die PR-Sensormodule (Typ B) Folie 21

22 Zusammenfassung Kostengünstige IoT-Sensorplattform für Datenlogging und Eventdetektion Sensordatenfusion und Reduktion im Gateway Vorteile dieser Lösung Einfache Integration zusätzlicher Sensorik Nur Verwendung von Standardkomponenten Energieversorgung über am Markt verfügbare Lösungen Anpassung an alternative Cloud-Dienste leicht möglich Implementierung von anwendungsspezifischer Auswertungen Keine aufwändigen Parametrierungsmechanismen erforderlich Ausblick Weiterer Plattformlösungen in Vorbereitung: Harvesting Modul zur Energieversorgung weitere Sensorik (kunden- / applikationsspezifisch) möglich Folie 22

23 Ihr Partner für Elektronik-Dienstleistungen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie Fragen? Kontakt: Matthias Geiger Tel: 06283/ Internet: Folie 23