PLN | EUR | USD

Tworzenie prostej i łatwej w użyciu zdalnej platformy do ewaluacji czujników

Rozwój technologii MEMS zaowocował powstaniem wielu nowych czujników wykorzystywanych w różnych branżach: od kontroli ruchu, przez wszystkie zastosowania pokrewne po biometrię. Projekty, których elementem są czujniki, wymagają w pierwszej kolejności analizy określającej jakie części należy w nich wykorzystać. Opracowane przez firmę Digi-Key narzędzie doboru czujników to znakomity sposób identyfikacji potencjalnych czujników. Po wybraniu właściwego czujnika kolejnymi etapami są zwykle testy i ewaluacja. Trzeba tu podkreślić, że przetestowanie czujnika na biurku projektanta to tylko początek. Pozwala to sprawdzić komunikację i funkcjonalność, ale znacznie lepiej przeprowadzić testy w rzeczywistych warunkach, w jakich dany czujnik będzie działał.

Ilustracja 1. Platforma do ewaluacji czujników wdrożona w Digi-Key Electronics. (źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Zakres tego projektu obejmował opracowanie uniwersalnej platformy ewaluacyjnej, którą można dostosować do obsługi wielu czujników. Miała ona pozwalać na bezprzewodowe wysyłanie danych testowych z powrotem do użytkownika, a także wykorzystywać dostępny „od ręki” sprzęt firmy Digi-Key. Do bezprzewodowej transmisji danych wybrano protokół Zigbee, ponieważ umożliwia on działanie wielu niezależnych nadajników radiowych w jednej sieci, a zastosowanie gęstej siatki połączeń (ang. mesh) zwiększa zasięg i niezawodność sieci. W pilotażowym wdrożeniu naszej platformy ewaluacyjnej zdecydowałem się użyć zewnętrznego czujnika warunków środowiskowych, ponieważ w naszej siedzibie (północno-zachodnia Minnesota) pogoda jest bardzo zmienna.

Platforma do ewaluacji czujników

Do sterowania platformą wykorzystano opracowany przez firmę Digi inteligentny moduł Xbee3 Zigbee. O wyborze urządzenia Xbee3 zadecydowały m.in. możliwość pracy jako autonomiczny wbudowany kontroler, bezprzewodowa łączność radiowa z wykorzystaniem protokołu Zigbee oraz obsługa technologii FOTA (ang. firmware over the air), umożliwiającej aktualizacje zdalne. Aby ułatwić konfigurację, kontroler Xbee3 podłączono do płytki rozwojowej Xbee Grove, wyposażonej w złącza Grove do urządzeń wejścia-wyjścia.

Ilustracja 2: platforma do ewaluacji czujników. (źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Układy radiowe Zigbee zamontowano w obudowie PN-1323-CMB dostarczonej przez firmę Bud o stopniu ochrony IP65, dzięki czemu całą platformę można było umieścić na zewnątrz. Wykorzystano też oferowane przez firmę TE Connectivity złącza M8 do montażu tablicowego , zapewniające interfejs zewnętrzny dla magistrali I2C i zasilania 5V. Antenę zewnętrzną podłączono za pomocą produkowanego przez firmę Amphenol adaptera U.FL–RP-SMA 336320-12-0250 do montażu tablicowego.

Wdrożenie platformy z czujnikiem środowiskowym

Do przeprowadzenia testów wybrano czujnik środowiskowy MS8607 firmy TE Connectivity, który mierzy ciśnienie, temperaturę i wilgotność. Firma TE oferuje płytkę ewaluacyjną Grove MS8607, która znacznie ułatwiła połączenie z platformą do ewaluacji czujników. Szczegółowe informacje o projekcie oraz kod źródłowy aplikacji można znaleźć na stronie projektu Xbee3 Zigbee Outdoor MS8607 Pressure Temperature Humidity (PTH) Sensor (Zewnętrzny czujnik ciśnienia, temperatury i wilgotności MS8607 Xbee3 Zigbee) w witrynie eeWiki firmy Digi-Key. Ilustracja 3 przedstawia połączenia elektryczne i schemat połączeń przewodowych pomiędzy czujnikiem a platformą radiową Zigbee.

Ilustracja 3: zewnętrzny czujnik ciśnienia, temperatury i wilgotności Xbee3 Zigbee - schemat połączeń elektrycznych i schemat przewodów. (rysunek wykonano przy użyciu Digi-Key Scheme-it®)

Pełny wykaz materiałów BOM i szczegółowe informacje zawarto w poniższym projekcie Digi-Key Scheme-it®.

Ten projekt testowy obejmował umieszczenie platformy z czujnikami na dachu siedziby Digi-Key Electronics. Na ilustracji 4 zestawiono dane dotyczące ciśnienia, temperatury i wilgotności zebrane przez czujnik PTH w lutym 2020 roku.

Ilustracja 4: dane dotyczące ciśnienia, temperatury i wilgotności. (źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Rzeczywiste korzyści z aktualizacji FOTA

Po zainstalowaniu platformy z czujnikiem na dachu budynku naszej centrali zauważyłem, że wskazania temperatury z czujnika MS8607 nie są skorelowane z odczytami pracującego w tym samym środowisku czujnika innego producenta. Podczas wcześniejszych testów (przy moim biurku i w temperaturze pokojowej) oba czujniki rejestrowały podobne odczyty, ale po montażu na zewnątrz odnotowałem znaczącą różnicę w niskich temperaturach. Po przejrzeniu arkusza danych zdałem sobie sprawę, że nie zaimplementowałem w kodzie aplikacji napisanej w języku MicroPython dodatkowej formuły korekcji dla niskich temperatur. Ponieważ opracowane przez firmę Digi moduły Zigbee Xbee3 umożliwiają aktualizację oprogramowania układowego i systemu plików aplikacji przy zastosowaniu technologii FOTA, mogłem zdalnie poprawić i zaktualizować kod aplikacji, nie wstając od biurka. Nie musiałem przebijać się przez śnieg, zdejmować platformy z czujnikiem i zabierać jej z powrotem do środka, by ją przeprogramować. Technologia FOTA umożliwia zdalną aktualizację zarówno oprogramowania układowego nadajników radiowych, jak i aplikacji MicroPython z poziomu innego węzła Zigbee w tej samej sieci. Informacje na temat wdrożenia technologii FOTA w module Xbee3 i działający przykład jej zastosowania można znaleźć w projekcie eeWiki Xbee3 Firmware Over The Air (FOTA) update using XCTU (Aktualizacja FOTA kontrolera Xbee3 przy wykorzystaniu XCTU).

Podsumowanie

Bezprzewodowe moduły Zigbee Xbee3 firmy Digi sprawdziły się znakomicie jako inteligentne kontrolery platformy ewaluacyjnej czujników. Platforma jest uniwersalna i łatwo ją modyfikować pod kątem zastosowania różnych czujników, a także aktualizować jej oprogramowanie w terenie. Protokół Zigbee zapewnia niezawodną i łatwą do rozbudowy sieć bezprzewodową do przesyłania danych z czujników.

Informacje o autorze

Image of Scott Raeker

Scott Raeker, Technical Marketing Manager at Digi-Key Electronics, has been with the company since 2006. He has over 35 years of experience in the electronics industry and holds an Electrical Engineering degree from the University of Minnesota. In his spare time, Scott enjoys the outdoors of Northwest Minnesota and working on his turn-of-the-century farmhouse.

More posts by Scott Raeker