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Displays für IoT-Geräte

Rückkehr von kleinen und mittleren E-Papern

20. April 2018, 7:30 Uhr | Von Sönke Otten, Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach und Markus Haller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ablesbarkeit am Einsatzort

IoT-Geräte werden in der Regel in gut beleuchteten Innenräumen und in zunehmendem Maße auch in geschützten Außenbereichen wie dem »urban farming« und in Teilen der öffentlichen Infrastruktur eingesetzt. Sie müssen daher auch unter stärkerem Sonnenlicht ablesbar sein.

Hier schneiden die E-Paper-Displays besser ab als reflektive LCDs (Charakter-LCDs und 8-Segmente-Anzeigen). Bei Streulicht von 500 lx, was einer typischen Lichtsituation im Innenraum entspricht, liegt das Kontrastverhältnis bei etwa 4:1 bis 5:1. Mit zusätzlichem Touch fällt es auf rund 3,5:1. Für eine gute Ablesbarkeit sollte ein Verhältnis von 3:1 nicht unterschritten werden.

Die Werte von 3,5:1 bis 5:1 gelten bei E-Paper-Displays genauso für Tageslichtverhältnisse von rund 8 klx Streulicht, das bei Sonnenschein in Räumen mit großen Fenstern schnell erreicht ist. Reflektive LCDs erreichen in diesem Fall lediglich Werte zwischen 1,5:1 und 2,5:1 und auch die emissiven AMLCDs und AMOLEDs, die bei schwacher Beleuchtung sehr gut ablesbar sind, erfüllen unter Tageslichtbedingungen das Kriterium guter Ablesbarkeit nicht mehr.

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E-Paper eignen sich am besten

Für eine Erweiterung eines IoT-Geräts mit einem Display sind E-Paper-Module bis etwa vier Zoll Diagonale am besten geeignet. Sie lassen sich mit wenig Hard- und Softwareaufwand mit den üblichen IoT-Mikroprozessoren ansteuern, erfordern von allen in Frage kommenden Display-Technologien die geringste Leistungsaufnahme und bieten dabei einen relativ großen Umfang an HMI-Funktionen.

Zum Beispiel ist mit ihnen die grafische Darstellung von Messkurven möglich, für Kommissionieraufgaben können QR-Codes generiert werden, die auch ohne Stromversorgung noch auslesbar sind, und es kann eine grafische Bedienungsanleitung für den Anwender des IoT-Geräts erzeugt werden. Sie bieten auch die Option zur Touch-Bedienung, die dem Anwender auch bereitgestellt werden sollte.

Für Ablesbarkeit in unbeleuchteten Räumen ist allerdings eine relativ kostenintensive Frontbeleuchtung unverzichtbar. In Kleinserie sind monochrome E-Paper-Displays in geeigneter Größe (zwei Zoll Diagonale) ab etwa acht Euro erhältlich, was in etwa dem Preis eines vergleichbaren Farb-AMLCDs entspricht. Für OLEDs mit Passiv-Matrix (PM) muss in etwa der doppelte Preis veranschlagt werden.

IoT-Display zum Nachrüsten

E-Paper-Displays als fest verbautes Display in professionellen IoT-Geräten zu etablieren, hat für den Anwender gewisse Vorteile. Es erhöht den Stückpreis jedoch um einen nicht unerheblichen Betrag. Eine alternative Methode ist ein Steckmodul.

Es kann, je nach Bedarf, für mehrere Geräte verwendet werden. Die Datenübertragung zwischen IoT-Gerät und Display ist optisch über Visible Light Communication (VLC) möglich, was ein einfaches Trennen und Verbinden des Display-Stechmoduls erlaubt.

Als Schnittstelle auf Geräteseite bietet sich eine Status-LED auf einem frei programmierbaren Ausgang an, der meist standardmäßig vorhanden ist. Um sie als VLC-Sender nutzen zu können, sind nur einige Zeilen Code erforderlich.

Der Prototyp eines solchen Steckmoduls mit VLC-Schnittstelle ist als Blockschaltbild in Bild 5 und als Leiterplatten-Ansicht in Bild 6 gezeigt. Er basiert auf einem 8-bit-Mikrocontroller von Microchip (Atmega-1284P mit 128 KB Flash, I²C- und SPI-Schnittstellen), einem 3,8-Zoll-E-Paper-Display vom Hersteller E Ink (ED038TH1 mit 600 × 600 Pixeln) und einem E-Paper-Controller (Epson S1D13522).

Im Display sind eine Frontbeleuchtung und eine Touch-Bedienung integriert. Die Eignung und Funktionstüchtigkeit des Steckmoduls wurde anhand von professionellen, batteriebetriebenen IoT- Geräten geprüft.

Aufgrund der kurzen Signalkette und der hohen Datenintegrität der VLC-Kommunikation, kann die Datenübertragung mit wenig Aufwand über Soft-UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) erfolgen. Dabei bildet eine Software die Funktion zur asynchronen seriellen Datenübertragung nach, für die sonst ein UART-Baustein notwendig wäre.

Gesendet wird als NRZ-Codierung im 8N1-Format. Die Integrität der Datenübertragung sichert eine CRC16-Checksumme ab. Unterstützt werden Standard-Baudraten, 19.200 Baud im Fall des Prototyps. Hier sollten zunächst nur einfache ASCII-Zeichen dargestellt werden. Für umfangreichere Grafik-Darstellungen sind auch höhere Übertragungsraten möglich.

Literatur

[1] Sabo, J. et al.: Evaluation of Displays and HMIs for Internet of Things (IoT), SID 2017 Digest of Technical Papers, S.1174–1177.

[2] Otten, S., Blankenbach, K.: E-Paper Touch System for IoT Safety and Security Using Status LEDs for Visible Light Data Transmission. Proceedings of 24th International Display Workshops, Sendai Japan, 12/2017, S. 1048–1051.

Die Autoren

Sönke Otten

studiert seit 2013 an der Hochschule Pforzheim Elektrotechnik und Informationstechnik mit anschließendem Masterstudiengang Embedded Systems. Er arbeitet an der Hochschule ebenfalls als wissenschaftlicher Mitarbeiter und beschäftigt sich dabei mit dem Thema Cyber-physische Systeme.

Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach

forscht und lehrt seit 1995 an der Hochschule Pforzheim. Seine Forschungsschwerpunkte sind elektronische Displays und zunehmend (O)LEDs vom System-Design über Hard- und Software bis hin zur Messtechnik; diese Aktivitäten finden in dem von ihm gegründeten Display Labor statt. Er ist Vorsitzender des Konferenzbeirates der Electronic Displays Conference und Vorsitzender des Deutschen Flachdisplay-Forums.