Universeller Baukasten für Entwickler
Sensorik für IoT-Anwendungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Zugriff per Smartphone
Mit nRF Connect, einem leistungsstarken Tool von Nordic Semiconductor, können vom Smartphone aus BLE-Geräte gescannt werden, es ist damit auch möglich, sich mit einem BLE-Gerät zu verbinden und zu kommunizieren.
Bild 5 zeigt die Verbindung mit einem Kallisto-Modul (Kallisto_Sensing_E6_ED). Farbig markiert sind im Ambient-Service mit der Base UUID 0x1120 die Characteristics mit der UUID 0x1133 (Temperature Data) sowie mit der UUID 0x1134 (Temperature Configuration).
Durch das Schreiben des Wertes 0x41 in die Characteristic mit UUID 0x1134 wird der Temperatursensor aktiviert und sendet daraufhin im Sekundentakt Messwerte (Notification).
Die Temperaturdaten werden nun im Sekundentakt in der Characteristic mit der UUID 0x1133 aktualisiert und stehen hier beispielsweise in den oberen vier Bytes als Wert 0x000009F5 zur Verfügung. Decodiert ist das ein Wert von 2549 dezimal, d.h. 25,49 °C.
Auf diese Weise lässt sich jede Characteristic in der GATT Look-up Table untersuchen. Wichtig für die Interpretation der Daten ist die Kenntnis der GATT-Tabelle, die der Hersteller des BLE-Gerätes zur Verfügung stellt.
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Grafische Darstellung per Kallisto-Toolbox
Sensry bietet mit der Kallisto-Toolbox für Android Devices ein Tool zur vollständigen Konfiguration und Überprüfung des Kallisto-Moduls. Damit lassen sich die Sensorsignale in Echtzeit überprüfen und der Anwender bekommt auf diese Weise einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit dieses kleinen IoT-Geräts. Die Kallisto-Toolbox (Bilder 6–9) basiert auf der Kallisto-Android-API und zeigt einige ihrer Hauptfunktionen.
Bilder 6–9. Kallisto Toolbox von Sensry
Zugriff über eine Arduino-APP
BLE-Funktion lässt sich mithilfe der Library ArduinoBLE für den Zugriff auf die vom Kallisto erhobenen Daten nutzen.
Das für den Zugriff auf das Kallisto-Modul geschriebene Programm KallistoTestv1.ino erlaubt es den Battery-Service und den Ambient-Service sowie die dazugehörenden Characteristics zu lesen.
Ohne hier auf die Einzelheiten eingehen zu wollen, zeigen Bild 10 die Datenausgabe des Programms über die Konsole der Arduino IDE. Etwa im Minutentakt werden die Sensordaten des Ambient-Service abgefragt.
Mit diesen Sensormesswerten ist es beispielsweise möglich, die Luftqualität und das Klima in einem Innenraum zu bewerten. Zusammen mit dem Arduino lässt sich also sehr schnell eine Messstation erstellen. Durch die Verwendung eines Arduino Uno Wi-Fi Rev2 können die Messwerte dann auch gleich über Wi-Fi an einen Router und so ins Internet übertragen werden.
Linux-API für den Datenaustausch
Für Linux-Anwender interessant ist die Linux API, die Sensry per GitLab, erreichbar unter der URL: https://gitlab.sensry.net/kallisto/kallistoapi, bereitstellt. Alle Hauptfunktionen der API und deren Verwendung in einer Linux-Anwendung sowie die erforderlichen Interaktionen werden mit Codeschnipseln detailliert erklärt. Die Bibliothek wird als Linux Shared Library geliefert und muss auf dem System installiert werden.
Kleiner aber leistungsfähiger: Kallisto SY020
Das Modul Kallisto SY020 baut auf den Entwicklungserfahrungen mit dem Kallisto SY010 auf und bietet nicht nur ein weiterentwickeltes IoT-Gerät, sondern mit den Kallisto Extension Boards auch gleich das Bindeglied zur eigentlichen Anwendung.
Das briefmarkengroße Kallisto-Modul SY020 weist den leistungsstärkeren Mikrocontroller nRF52840 – mit einem Cortex-M4F-Prozessorkern von ARM, 256 KB RAM und 1 MB Flash-Speicher – und wieder zahlreiche Sensoren auf (Bild 11). Einen Vergleich von nRF52840 und nRF52832 hat Nordic Semiconductor auf seiner Website veröffentlicht [4].
In der Mitte des SY020-Moduls ist der Bereich zu erkennen, der mit einer Abschirmung versehen werden kann. Die Anschlüsse am Platinenrand ermöglichen eine einfache Montage auf einer Baugruppe.
Der Racemap-Tracker aus [3] ist ein sehr gutes Beispiel für eine IoT-Entwicklung auf Basis des Kallisto-SY020-Moduls, das die Grundlage für das Tracking-Modul bildet. Eine Reihe von optionalen Sensoren ermöglicht die effiziente Erfassung von Bewegung und Umweltparametern. Durch ein striktes Energiemanagement ist es Sensry gelungen, die Leistungsaufnahme zu minimieren.
Auf dem Kallisto-Erweiterungsmodul SY020-M01 (Bild 12a und 12b) sorgt ein Funkmodul von Quectel (BG600) für eine Mobilfunkverbindung per LTE-Cat NB2 (NB-IoT), LTE-Cat M1 und per EGPRS (2G) als Rückfallebene. Für die Positionserkennung ist im Funkmodul ein GNSS-Empfänger integriert. Im Erweiterungsmodul ist zusätzlich ein RFID-Transceiver verbaut, der die Erkennung und Zählung der Module im Nahfeld ermöglicht [5].
Durch die Kombination eines kompakten Controller-Moduls mit einem, die Besonderheiten der jeweiligen Anwendung aufnehmendem Extension-Modul, lässt sich baukastenartig eine anwendungsspezifische Schaltung erstellen. Andere Funktechniken wie z.B. LoRa als Kommunikationsschnittstelle werden bei Sensry bereits entwickelt. Dann können mit dem Kallisto über BLE-konfigurierbare LoRaWAN-Knoten realisiert werden.
Entwicklungsunterstützung
Zur Entwicklungsunterstützung stellt Sensry ein Software-Repository für Kallisto zur Verfügung (https://gitlab.sensry.net). Nach der Registrierung stehen alle Quellen für Kallisto – SDK, Standard-Firmware, Android-API, Linux-API sowie Anwendungsbeispiele – für die eigene Produktentwicklung zur Verfügung. Auf der Repository-Website befinden sich:
- NordicSDK – wird vom KallistoSDK verwendet
- KallistoSDK – Software Development Kit für die Kallisto-Knoten (Sensor-Treiber, HAL, BLE-HAL)
- KallistoBleFw – vorinstallierte Standard-Firmware
- KallistoFwTemplate – Template zur Erstellung eigener Firmware
- KallistoAPI – Linux API (Library)
- KallistoLinuxExample – Beispiel für Linux
- KallistioAndroidAPI – Android API (Library)
- KallistoAndroidToolbox – Toolbox (Android APP)
Außerdem baut Sensry eine Support-Seite (https://docs.sensry.net), mit entwicklungsbegleitenden Informationen zu Hard- und Software sowie Entwicklertools auf, die zum Erstellen eigener vernetzter Sensry Produkte benötigt werden.
Literatur
[1] Kühnel, C.: MAKER TOOLS – Entrepreneurs der Stunde: Maker – Startups – Unternehmen. elektroniknet.de, 16. Februar 2016, www.elektroniknet.de/embedded/hardware/maker-startups-unternehmen.127588.html.
[2] Kühnel, C.: Entrepreneurs der Stunde, Teil 2: Maker – Startups – Unternehmen. elektroniknet.de, 10. Mai 2016, www.elektroniknet.de/embedded/hardware/maker-startups-unternehmen.130181.html.
[3] Sachsen schmieden virtuelle Fabriken. Wirtschaft-in-sachsen.de, 7. Juli 2021, www.wirtschaft-in-sachsen.de/news/sachsen-schmieden-virtuelle-fabriken-gid-5199.
[4] NRF52832, NRF52840 and NRF52810 comparison. Nordic Semiconductor, Nordic Dev-Zone, https://devzone.nordicsemi.com/f/nordic-q-a/24919/nrf52832-nrf52840-and-nrf52810-comparison.
[5] Project Live-Tracking Plattform with Kallisto. Sensry, Website, https://sensry.net/live-tracking-plattform/.
Der Autor
Dr. Claus Kühnel
studierte und promovierte an der Technischen Universität Dresden auf dem Gebiet der Informationselektronik und bildete sich später in Biomedizintechnik weiter. Von 2004 bis zu seiner Pensionierung war er bei QIAGEN Instruments in Hombrechtikon (CH) als Director Electronic Engineering & Embedded Systems für die Entwicklung von Elektronikhardware und hardwarenaher Software verantwortlich. Aktuell arbeitet er als Autor und Consultant.
info@ckuehnel.ch
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