WRD/Probe @ Work ...

[kdw]

Da wir nach wie vor Funksensoren für IoT-Anwendungen entwickeln, ergeben sich auch immer wieder Möglichkeiten, eine WRD/Probe in einem realen Projekt zu nutzen. Aktuell sind wir in ein Forschungsvorhaben der Forstbotanik eingebunden, indem mit Hilfe einer hochpräzisen Spezialsensorik (sogenannte Dendrometer) die Durchmesser- und Umfangsänderungen von Bäumen erfasst werden sollen.

Die Vorgehensweise in einer solchen Sensorentwicklung ist in der Startphase typischerweise durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

• Auswahl und Beschaffung eines Mikrocontrollers (MCU) mit einer passenden Funkschnittstelle (z. B. 868 MHz ISM). Für die Entwicklung werden einige Eval-Boards benötigt.

• Schaltungsentwurf und prototypische Umsetzung der Sensorikintegration (z. B. die Messbrücke für die Anbindung eines Dendrometers).

• Entwurf und prototypische Implementierung einer MCU-Firmware, um die externe Sensorik periodisch auszulesen, die Messdaten aufzubereiten und z. B. über eine serielle Schnittstelle (UART) auszugeben.

In der Regel ist bereits an diesem Punkt ein sehr wichtiger erster Meilenstein des gesamten Entwicklungsvorhabens erreicht: Im Entwicklungslabor existiert eine Prototypenschaltung, die IoT- Messdaten liefert. Bevor es mit der softwaretechnischen Integration der ISM-Funkschnittstelle weitergeht, könnte eigentlich ein „echter Dauertest“ der Sensorik in einer realen Anwendungsumgebung gestartet werden. Dadurch würden sich bereits in einer sehr frühen Projektphase die Stärken und Schwächen der IoT-Messdatenerfassung bewerten lassen. Des Weiteren lässt sich ein wichtiger Anteil des tatsächlichen Energiebedarfes messen, um zu einem späteren Zeitpunkt die batteriebetriebene Spannungsversorgung des Funksensors mit Hilfe praxisbezogener Messwerte zu dimensionieren.

Wir haben in unserem Entwicklungsvorhaben nach den zuvor beschriebenen ersten drei Schritten einfach das MCU-Eval-Board plus die prototypische Dendrometerschnittstelle an eine WRD/Probe angeschlossen und das ganze Gebilde in ein wetterfestes WRD/Box-Installationsgehäuse eingebaut. Dadurch hatten wir innerhalb kurzer Zeit den ersten Prototypen, den man an einem echten Baum befestigen kann. Dieses „Instant IoT Sensor Prototyping“ in einer Anwendungsumgebung verändert die weitere Vorgehensweise im gesamten Entwicklungsvorhaben.

Durch die LTE-M-Verbindung der WRD/Probe erhalten wir ab sofort echte Daten – die Mobilfunkschnittstelle wird dabei als Out-of-Band (OoB)-IoT-Datenkanal genutzt. Dadurch lassen sich auch die weiteren Entwicklungsaktivitäten schon mit echten Dendrometer-Messdaten versorgen, um die Informationsgewinnung zum Baumzustand (also den wissenschaftlichen Teil des Forschungsprojekts) zu ermöglichen.

Der IoT-Sensorentwickler kann im nächsten Schritt die IoT-Funkschnittstelle auf dem MCU-Eval-Board implementieren, in der Laborumgebung testen und optimieren. Jede einzelne Entwicklungsstufe der Funksoftware lässt sich über die WRD/Probe-OoB-Verbindung allerdings auch gleich in den Prototypen in der Anwendungsumgebung übertragen und per SWD-Interface in den MCU-Flash schreiben. Dadurch ist nicht nur der Unit-Test einzelner Funktionen im Labor möglich, sondern nahezu zeitgleich auch der Funktionstest in der Anwendungsumgebung.



Insgesamt lassen sich die weiteren Software-, Unit- und Systemtestentwicklungsschritte wie folgt zusammenfassen.

• Vollständige Funk-Firmware implementieren und austesten. Im hier vorgestellten Projekt wird dafür ein zusätzliches Gateway benötigt, dass im Rahmen einer weiteren eigenständigen Entwicklungsteilaufgabe entsteht. Dieses Gateway sammelt die IoT-Sensordaten mehrerer Dendrometer über eine 868 MHz-Funkstrecke ein und bildet einen zentralen Datenzugriffspunkt für die weitere Datennutzung. Für ein solches IoT-Gateway lässt sich ebenfalls ein „Instant Device Prototyping“ realisieren.

• Entwurf und Implementierung des gesamten MCU-Powermanagements inklusive der Batteriekapazitätsberechnung, um die jeweils erforderliche Batterielebensdauer zu erreichen. Die finale Sensor-Firmware kennt zwei Zustände: 1. Active bzw. Run Mode: Messdaten erfassen, aufbereiten und per 868 MHz-Funkverbindung übertragen. 2. Deep Sleep: Warten bis zum nächsten Mess- und Datenübertragungszeitpunkt.

• Finaler Integrations- und Systemtest: Zunächst wird das Zusammenspiel zwischen IoT-Sensor und Gateway getestet. Dann erfolgt der Integrationstest dieser Teilsysteme in den Gesamtverbund. Durch die IoT-Sensor- und Gateway-Prototypen lässt sich ein vollständiger Systemtest mit echten IoT-Daten über einen längeren Zeitraum durchführen.

Die IoT-Sensor-Prototyping-Box mit der WRD/Probe ermöglicht ein echtes Power-Mode-Profiling im Anwendungskontext: Durch die Energiemonitoringeigenschaften lässt sich ausmessen, ob die errechneten Werte zutreffen. Ist das nicht der Fall, ist durch entsprechenden Debug-Code über die UART-Schnittstelle der WRD/Probe ein Langzeit-Systemzustands-Logging realisierbar. Da im IoT-Dendrometersensor eine STM32-MCU genutzt wird, lässt sich zusätzlich eine Auswertung des Reset Source Register (RCC->RSR) in das Logging einbeziehen. Häufig sind unerwartete Wechsel von Deep Sleep in den Run Mode die Ursache für die rechnerischen Abweichungen zwischen Theorie und Praxis.