Yksinkertaisen, helppokäyttöisen anturien etäarviointialustan kehittäminen

MEMS-teknologian edistysaskeleet ovat johtaneet lukemattomien uusien antureiden tuloon markkinoille ja erilaisiin sovelluksiin liikeohjauksesta biometriikkaan ja kaikkeen niiden väliltä. Antureihin liittyvien projektien ensivaiheena on tutkimus potentiaalisten osien löytämiseksi. Digi-Keyn Anturituotteiden valitsin on tutkimusvaiheessa erinomainen resurssi potentiaalisten anturien löytämiseen. Kun on löydetty anturi, seuraavana vaiheena on normaalisti testaus ja arviointi. Tosiasiassa anturin testaus työpöydällä on vasta alkupiste. Tiedonsiirron ja toimivuuden voi tarkistaa, mutta on suositeltavaa testata anturia todellisessa käyttöympäristössä.

Kuva 1. Anturien arviointialusta käytössä DigiKey Electronicsilla. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tämän projektin tarkoituksena oli kehittää joustava arviointialusta, joka voisi mukautua helposti useisiin antureihin, lähettää langattomasti testausdataa takaisin käyttäjälle ja käyttää hyllyssä jo saatavilla olevaa Digi-Keyn laitteistoa. Langattomaan tiedonsiirtoon valittiin Zigbee-protokolla, sillä se mahdollistaa useiden riippumattomien radioiden samanaikaisen käytön verkossa ja sen silmukkaverkko-ominaisuus parantaa verkon kantamaa ja lisää verkon joustavuutta. Päätin käyttää arviointialustan testausprojektiin ulkoympäristöanturia, koska sijaintimme (Luoteis-Minnesota) tarjoaa paljon erilaisia sääolosuhteita.

Anturien arviointialusta

Digin Xbee3 Zigbee -moduuli on älykäs ohjain alustaa varten. Syitä Xbee3:n valintaan olivat: se pystyy toimimaan erillisenä sulautettuna ohjaimena, se käyttää Zigbeen langatonta radiokommunikointia ja se tukee FOTA (firmware over the air) -etäpäivityksiä. Asennuksen helpottamiseksi Xbee3 kytketään Xbee Grove -kehitysalustalle, joka tuo Xbee3:n I/O-pinnit helppokäyttöisiin Grove-liittimiin.

Kuva 2: Anturien arviointialusta. (Kuvan lähde: DigiKey)

Zigbee-radiolaitteisto asennettiin IP65-luokiteltuun PN-1323-CMB Bud -koteloon, jotta alusta voitaisiin sijoittaa ulkoympäristöön. Ulkoinen rajapinta I2C-väylään ja 5 V:n jännitteelle luotiin TE Connectivityn M8-paneelikiinnitysliittimillä. Ulkoinen antenni yhdistettiin käyttämällä Amphenolin 336320-12-0250-paneelikiinnitysadapteria u.FL-liitttimestä RP-SMA-liittimeen.

Alustan käyttö ympäristöanturin kanssa

Testikäyttöön valittu ympäristöanturi oli TE Connectivityn MS8607, joka mittaa painetta, lämpötilaa ja kosteutta. TE:n Grove MS8607 -arviointikortti teki anturien liittämisestä arviointialustaan erittäin helppoa. Kattavat projektitiedot, mukaan lukien sovelluksen lähdekoodi, on dokumentoitu Xbee3 Zigbee Outdoor Ms8607 -paine/kosteus/lämpötila-anturin (PTH) projektisivulle Digi-Keyn eeWiki-sivustolla. Kuvassa 3 näkyvät anturin ja Zigbee-radiomoduulin väliset sähköliitännät sekä rajapinnan kytkentäkaavio.

Kuva 3: Xbee3 Outdoor Zigbee PHT -anturiprojekti - sähköliitännät ja kytkentäkaavio. (piirretty käyttäen Digi-Keyn Scheme-it®-palvelua)

Kattava BOM (osaluettelo) ja projektitiedot löytyvät alla olevasta DigiKey Scheme-it® -projektista.

Tässä testausprojektissa anturialusta asennettiin DigiKey Electronicsin pääkonttorirakennuksen katolle. Kuvassa 4 näkyy PTH-anturin helmikuussa 2020 keräämä paine-, lämpötila- ja kosteusdata.

Kuva 4: Paine-, lämpötila-, kosteusdata. (Kuvan lähde: DigiKey)

FOTA-päivityksen hyödyt reaalimaailmassa

Kun anturialusta oli asennettu pääkonttorirakennuksen katolle, huomasin, ettei MS8607:n lämpötiladata korreloinut samassa ympäristössä toimivan eri valmistajan anturin kanssa. Aikaisemmin työpöydällä sisälämpötilassa suorittamassani testissä kummankin anturin lukema oli sama, mutta kylmässä lämpötilassa ilmeni merkittävä ero kun anturit oli asennettu ulkotiloihin. Kun tarkastelin anturin teknisiä tietoja, huomasin, etten ollut toteuttanut sekundääristä alhaisen lämpötilan korjauskaavaa MicroPython-sovelluskoodissa. Koska Digi Zigbee Xbee3 -moduulit tukevat laiteohjelmiston ja sovellustiedostojärjestelmän FOTA-päivitystä, pystyin korjaamaan ja päivittämään sovelluskoodin ilmateitse mukavasti työpöytäni äärestä. En joutunut rämpimään lumessa, jotta saisin noudettua anturialustan takaisin sisälle uudelleenohjelmointia varten. FOTA:n avulla käyttäjä voi etäpäivittää sekä radion laiteohjelmiston että Micropython-sovelluksen samassa verkossa olevan toisen Zigbee-solmun kautta. Tiedot Xbee3 FOTA-päivityksen toteutuksesta ja toimintaesimerkki löytyvät eeWiki-projektista Xbee3 FOTA (Firmware Over The Air) -päivitys XCTU-työkalulla.

Yhteenveto

Digin langattomat Xbee3 Zigbee -moduulit toimivat hyvin anturien arviointialustan älykkäänä ohjaimena. Alusta on joustava ja helppo muokata eri antureille ja päivittää maastossa. Zigbee tarjoaa anturidatalle luotettavan langattoman verkon, joka on helposti laajennettavissa.