WSN für das Bauwerksmonitoring – Teil 2
Konzeption eines gemischten Funknetzwerks
In Teil 1 [7] wurden Bluetooth Mesh, Dust Network und IQRF für den Einsatz in einem Funksensornetzwerk (WSN) zum Bauwerksmonitoring untersucht. Mit der Entscheidung zugunsten IQRF folgen in Teil 2 die Verbindung des WSN mit einem Niedrigenergie-Weitverkehrsnetz (LPWAN) und die Implementierung.
Der Knoten eines IQRF-Netzwerks wird durch die zur Verfügung stehende Software zum Coordinator, der die Messwerte der einzelnen Knoten in bestimmten Zeitintervallen empfängt, speichert und diese als Gateway per LPWAN (Low Power Wide Area Network) in eine Cloud überträgt, sodass diese Daten dann von jedem Internet-fähigen Gerät empfangbar sind.
Für LPWANs existieren aktuell drei verbreitete Funktechniken: Sigfox, LoRaWAN und LTE Cat-NB1 (NB-IoT), die prinzipiell alle geeignet sind, sofern das entsprechende Netz erreichbar ist, was demnach von der jeweiligen Umgebung abhängig ist. LTE Cat-NB1 basiert auf der Mobilfunktechnik LTE, sodass ein entsprechender Vertrag mit einem Mobilfunkanbieter sowie eine passende SIM-Card (eSIM) notwendig sind. Alle drei Mobilfunkanbieter bieten hierfür unterschiedliche Produkte (Starter-Kits) an, was sich für einen Test − mit beispielsweise 200 Euro für sechs Monate bei der Telekom − als vergleichsweise teuer erweist, weshalb der LTE-Cat-NB1-Einsatz in diesem Projekt nicht weiter verfolgt wurde.
Die Gemeinsamkeiten bei LoRaWAN und Sigfox sind, dass beide Verfahren in Europa im 868-MHz-Band arbeiten, eine Reichweite von 3 km (innerstädtisch) bis zu 50 km (Flachland) sowie eine Datenrate von 100 bit bis maximal 50 kbit/s (LoRa) bieten. Außerdem stellen die jeweiligen Betreiber verschiedene Netzwerkfunktionen zur Nutzung der Gateway- und Cloud-Dienste zur Verfügung.
LoRA – ohne WAN – kann auch als eigenständiges Peer-to-Peer-Netzwerk eingesetzt werden, d.h. die Erreichbarkeit des LoRaWANs eines Netzwerkbetreibers ist dann nicht erforderlich. Die mögliche Datenrate ist bei LoRa höher als bei Sigfox, das auf 140 Nachrichten pro Tag (Upload) mit 12 Byte pro Nachricht beschränkt ist.
Sigfox versteht sich demgegenüber als Komplettdienstleister mit zentraler Anlaufstelle (sigfox.de), was den Einsteig in die LPWAN-Technik maßgeblich vereinfacht, weil Registrierung, Software, Gerätebeschaffung und Support gewissermaßen unter einem Dach zu haben sind.
LoRaWAN-Applikationen [8] sind demgegenüber zwar flexibler zu realisieren, was allerdings einen höheren Aufwand und tiefere Systemkenntnisse erfordert. Deshalb wurde der Einfachheit halber und weil sich ein Sigfox-Gateway auf dem TUHH-Gelände befindet, Sigfox als LPWAN-Technik für die Brückenüberwachung ausgewählt. Mit LoRaWAN oder auch LTE Cat-NB1 wäre das Bauwerksmonitoring prinzipiell genauso möglich, wenn auch mit höherem Aufwand.
Das Gateway - Fox 3
Für die Übertragung der vom Coordinator gesammelten Sensordaten wird das von Arrow vertriebene Entwicklungsmodul ASME Fox 3 (MC27561-FOX) [9] von der Firma Axel Elettronica als Zentrale eingesetzt. Es arbeitet mit einem D21 Ultra Low Power Mikrocontroller von Atmel, der auf einem ARM-Prozessorkern Cortex-M0+ basiert. Die Rechenleistung ist ausreichend, um den IQRF-Coordinator zu steuern, die gesammelten Sensordaten weiterzuverarbeiten und diese dann per Sigfox in die Cloud zu senden.
Neben dem Sigfox-Modul von Telit, mit SMA-Buchse zum Anschluss einer externen Antenne, enthält das Fox-3-Modul einen Crypto Authentication Chip, ein GPS-Modul mit integrierter Antenne sowie einen Bluetooth Low Energy Transceiver (BLE). Der BLE-Transceiver wird zwar für die Applikation nicht benötigt, aber das GPS-Modul kann optional zur Lokalisierung der Zentrale verwendet werden.
Das Fox-3-Modul bietet eine Arduino-kompatible 20-Pin-Steckerleiste. Der Programmcode für das Modul kann mittels Arduino IDE erstellt – ab Version 1.6.4 – und über den Micro-USB-Anschluss in den Modulspeicher geladen werden. Über den Micro-USB-Anschluss (5 V) wird das Modul, das selbst mit 3,3 V arbeitet, auch mit Spannung versorgt. Außerdem lässt sich ein Lithium-Polymer-Akku anschließen, der mit dem Stromversorgungs-IC LTC4089-5 von Analog Devices verbunden ist, sodass der Akku auch in der Schaltung aufgeladen werden kann.
Als Software wird mit dem Fox-3-Modul ein Free Trial Code mitgeliefert, der die kostenlose Nutzung des Sigfox-Moduls und der Sigfox-Cloud für ein Jahr gestattet. Nach der Registrierung des Moduls bei Sigfox, lassen sich Nachrichten mithilfe der entsprechenden Bibliothek sofort in die Cloud senden und visualisieren.
Auf der anderen Netzwerkseite − zum IQRF-Netzwerk hin − ist der Transceiver DCTR-72-DAT an das Modul Fox 3 anzuschließen, was prinzipiell sowohl über eine UART- als auch über eine SPI-Verbindung erfolgen kann. Sowohl der IQRF-Transceiver als auch das Fox-3-Modul unterstützen beide Schnittstellen.
Aufgrund der Möglichkeit eines synchronen Vollduplex-Betriebes wird für das Bauwerksmonitoringprojekt SPI eingesetzt. IQRF stellt passende SPI-Beispiele [10] zur Verfügung und SPI wird durch ein Arduino-Programm (Sketch) für Fox 3 unterstützt, um das Fox-3-Modul als SPI-Master zu betreiben. Dementsprechend bildet der IQRF-Transceiver als SPI-Slave den Coordinator des IQRF-Funknetzwerks, der über einen von IQRF mitgelieferten Adapter (KON-RASP-01) an das Fox-3-Modul mit den vier SPI-Leitungen angeschlossen wird.
Das ist zumindest für den Testaufbau sinnvoll, weil sich der Transceiver für eine notwendige Umprogrammierung leicht aus dem Adapter ziehen lässt, der zudem einen Enable-Anschluss als Pin herausführt, womit sich die Spannungsversorgung für den IQRF-Transceiver über einen allgemeinen Ein-/Ausgang (GPIO) des Fox-3-Moduls abschalten lässt. Das komplette IQRF-Sigfox-Gateway (Bild 6) kann mit einem 3200-mAh-Akku betrieben werden und ist in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht.
Die Einrichtung des IQRF-Funknetzwerks erfolgt in der IQRF-IDE, und die Programmierung des Fox-3-Moduls wird in der Arduino-IDE durchgeführt. In der Arduino-IDE ist über den Arduino Board Manager der Arduino Zero Core und Partner Arrow Boards die Software Smart Everything zu installieren. Außerdem ist die RTCZero-Bibliothek sinnvoll, um die Schlafmodi des Mikrocontrollers nutzen zu können.
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- Sensorik für Bauwerke
