Und die Firmware? So entsteht ein IoT-Sensor

Was, wenn ein Unternehmen keine Firmware und kein Framework entwickelt, sondern nur Software? Es gibt Fachleute, die ausschließlich die Hardware liefern – und gemeinsam kann man erfolgreich sein. Doch dann stellt sich eine andere Frage: Ist es nicht einfacher, ein fertiges Set zu kaufen? Ein solches Gerät ist bereits mit der Cloud verbunden, kommuniziert über eine API, und man kann sein eigenes System darauf aufsetzen. Smart-Home-Lösungen lassen sich leicht integrieren – sie haben bereits ein Abonnement und sind kompatibel. Ein gutes Beispiel für einen Anbieter solcher Lösungen ist Asset Link Global. Und das reicht – alles funktioniert. Asset Link stellt Sonden her, die aus einem Sensor, einer Recheneinheit und einer Satellitenverbindung (optional GSM) bestehen. Mit einem solchen Set hat man sofort Zugriff auf die API und kann ein eigenes System aufbauen; das Set wird dort montiert, wo gemessen werden soll. Asset Link übernimmt die gesamte Konfiguration. 

Wie entsteht ein IoT-Sensor?

Anders sieht es aus, wenn man anspruchsvollere Untersuchungen durchführen möchte. Ohne fertige Sets ist der Weg etwas komplizierter. Oft gibt es schlicht kein fertiges Set, das genau den benötigten Parameter misst – und das unter bestimmten Bedingungen. Unter diesen Bedingungen fehlt mitunter auch der Zugang zur Stromversorgung. Auf dem Markt gibt es einfach nicht für jeden Parameter fertige Sensoren. Messungen im Wasser sind zum Beispiel ein sehr enges Feld – wer ein solches Gerät braucht, muss es individuell entwickeln lassen. Selbst mit denselben Sonden reicht es nicht immer, sie aus der Verpackung zu nehmen, in den Wassertank zu werfen und sofort Messwerte zu haben. Zuerst müssen die Parameter der Sensoren festgelegt werden. Es kommt vor, dass die Batterie zu kurz hält oder dass die Übertragung über Satellit laufen muss, weil es vor Ort kein GSM-Netz gibt. Schließlich müssen alle Anforderungen gesammelt werden: Unter welchen Bedingungen arbeitet das Gerät, wie lange, wie oft muss es messen, damit die Messung sinnvoll ist, welche Möglichkeiten der Stromversorgung gibt es usw. So entstehen Projekte wie Spark Control oder Smart Factor.

Wer ein Gerät nach Maß baut, muss mehrere wichtige Punkte bedenken:

1. Das Herz des gesamten Systems ist der Prozessor (CPU).

2. An den Prozessor schließen wir eine Reihe von Sensoren über Busse wie UART, RS232, GPIO, I²C, I²S an. Wir nehmen einen Prozessor und verbinden so viele Sensoren damit, wie wir brauchen und wie es sinnvoll ist – denn jeder Sensor muss auf Energieverbrauch, die genutzten Schnittstellen und die Beständigkeit gegen äußere Einflüsse geprüft werden. Alle diese Komponenten müssen ausgewählt, geprüft und anschließend integriert werden.

3. Über dieselben Kommunikationstechnologien wird an die Schnittstelle ein Verbindungsterminal angeschlossen. Es kann kabelgebunden oder drahtlos sein. Zu den kabelgebundenen Verbindungen zählen PoE, USB, Ethernet, Modbus. Dazu kommt eine ganze Reihe drahtloser Technologien wie LoRa, LTE, GHz-Funk, BLE, WLAN, Bluetooth, Zigbee, Narrowband usw. 

4. Stromversorgung. Damit das Gerät zuverlässig arbeitet, braucht es Energie. Die Batterie lässt sich per Solar-, Wind- oder Induktionsenergie, über Wasserkraft usw. laden. Bei Solarstrom hat sich ein einfaches Prinzip bewährt: Tagsüber wird geladen, nachts nutzt das Gerät die gespeicherte Energie. Bei induktiver Versorgung kommt jemand vorbei, sendet einen Impuls, das ganze Set startet und wir haben eine Messung. Ein Generator mit Wasserturbine muss im Wassertank sitzen – eine spezielle Turbine kann gleichzeitig Strom erzeugen und messen. Eine sehr gute Lösung ist auch PoE (Strom und Kommunikation) + Ethernet – Strom und Kommunikation über eine Leitung.

Doch zurück zum Prozessor. Je nach Projekt kann er sehr unterschiedlich aussehen. 

Eine der einfachsten Lösungen ist der Raspberry Pi. Er lässt sich leicht programmieren und basiert auf der Programmiersprache Python. Alle Skripte entstehen unter Linux. Auf Systemebene haben wir Zugriff auf alle Ports. Wenn Sie uns fragen, wie kompliziert das ist, sagen wir: „einfach ++“.

Die nächste Lösung ist Industrino. Es ist für den industriellen Einsatz gedacht, wird in C/C++ programmiert und hat kein Betriebssystem. Es gibt zwar eine Art Hülle, aber kein Linux. Dafür haben wir Anschlüsse, alle Ports, Speicher, Display, Tasten und Diagnoseschnittstellen, über die sich Extras ausgeben lassen, etwa eine Diagnoseschnittstelle. Es ist ein fertiges Gerät, aus dem sich ein Diagnoseset bauen lässt, das sich sogar in der Produktion oder im Industrieprozess einsetzen lässt. Industrino steckt in einem Gehäuse und erfüllt die Anforderungen für Temperaturen von -40F bis 176F (-40C/+80C); es ist abgetrennt und bleibt daher geschützt, wenn ein anderes Element des Projekts beschädigt wird. Es eignet sich für Stückzahlen im Bereich von Dutzenden oder sogar Hunderten, aber nicht mehr.

Arduino – gibt es in zwei Varianten. Die eine ist eine Art  DIY-Set, uns interessiert aber das Arduino, das als Komponente in Geräten verbaut wird. Außerdem gibt es das miniArduino (eigentlich nicht mehr in Produktion, aber Open Source und von Firmen weiterhin genutzt) – einige Hersteller produzieren es noch in verschiedenen Hardware-Konfigurationen. Es ist so groß wie eine Briefmarke. Es bietet viele sofort nutzbare, unterschiedliche Schnittstellen, wird wie Industrino in C/C++ programmiert, die Entwicklungsumgebung ist dieselbe, die Rechenleistung ist begrenzt. Das Arduino in der Mini-Version ist ein Bauteil ohne Gehäuse, das man nirgends montiert und das keine direkten Anschlüsse hat. Damit es überhaupt läuft, muss man etwas ergänzen. Für den Betrieb braucht es eine Leiterplatte (PCB). Daraus entsteht dann das Gerät. Arduino als Steuereinheit.
ESP32 ist für komplexere Anwendungen gedacht, vor allem in Forschung und Entwicklung. ESP-Module können als kleine Webserver oder Clients arbeiten. In der Praxis eignet sich das Modul sehr gut für Anwendungen wie Smart Home. ESP kam aber auch in Agrarprojekten wie Spark Control zum Einsatz.

TI/STM32/ARM sind fortgeschrittenere Lösungen und auch in Mikroversion erhältlich; Anwendungsbeispiele sind Euroasfalt und Spark Control. Die Kosten für Forschung und Entwicklung können nur dann niedrig sein, wenn mehr als 100.000 Geräte gefertigt werden – je mehr wir produzieren, desto stärker versuchen wir, die Kosten für Bauteile und Entwicklung im Verhältnis zu den Produktionskosten der Geräte zu senken.

Produktionsmaßstab:

Raspberry 10+

Industrino 100+

Arduino 1000+

TI/ARM/STM 1000+

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Zum Schluss, aber nicht weniger wichtig – die Firmware. Wenn das Gerät steht, muss es programmiert werden: wann es Messwerte sendet und welche. Vielleicht misst das Gerät Werte, die wir gar nicht übertragen wollen. Manche wollen wir häufiger erfassen, sobald sie einen Grenzwert erreichen; vielleicht steuern wir die Abtastrate und müssen festlegen, wie oft sie abgefragt wird. Für diese ganze Logik ist das Programm zuständig, und sie sieht in jeder Anwendung anders aus – sie macht das Gerät von außen steuerbar. Irgendwo gibt es immer etwas anzupassen, zu konfigurieren oder Parameter zu wählen. Die Firmware arbeitet auf einer tieferen Ebene als das Betriebssystem. 

Wenn Sie Fragen haben oder mehr erfahren möchten, schreiben Sie uns – wir helfen gern. Jede Komponente lässt sich austauschen, und wir wissen, wie das richtig gemacht wird.