Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Eine Übersicht über verschiedene Embedded-Wireless-Technologien – Beitrag 6/6 : Ausgabe 22/2014, 04.12.2014

Unten Standard – oben proprietär

Der Bluetooth Low Energy Solar Tag – kurz Blens Tag – ist ein Beispiel, bei dem die Entwickler die proprietären Eigenschaften des Systems erst in höheren Schichten eingeführt haben. Sie haben vorhandene Schaltungen verwendet und so von den niedrigen Kosten und der Herstellervielfalt der ICs profitiert. Die vom Standard abweichenden Eigenschaften betreffen hauptsächlich Änderungen in der Software.

Autor: Prof. Dr. Marcel Meli

Mitarbeitende des Institute of Embedded Systems an der ZHAW haben diese Entwicklung bereits in den Anfängen von Ble 2010 bis 2011 gemacht. Das Ziel war es, preisgünstige und energieeffiziente Sensoren zu entwerfen, die ihre Daten für die Anzeige an Smartphones senden. Das Tag lässt sich auch einsetzen, um spezielle Informationen wie Position, Identität oder sogar gespeicherte Nachrichten zu übermitteln. Dazu braucht es genügend Licht – etwa in Büros oder öffentlichen Gebäuden. Eine Lichtintensität von 200 Lux reicht für die Version mit DSSC-(Dye-Sensitized Solar Cell-)Indoor-Solarzelle. Das Tag ist auf mehreren Konferenzen detailliert beschrieben worden. Heute gibt es diverse Ausführungen in Kombination mit anderen Technologien wie zum Beispiel NFC (Near Field Communication).

Tiefe Erstellungs- und Wartungskosten

Dank einer minimalen Anzahl von Komponenten sind die Materialkosten tief. Da es keine Batterien zu wechseln gibt, ist der Wartungsaufwand minimal – getreu dem Motto «install and forget». Ausserdem lässt sich eine sehr kleine Solarzelle verwenden, auch dies reduziert die Kosten. Das Power-Management erlaubt es, Energie von einer Quelle, die 0,3 V oder mehr liefert, zu ernten.

Ein herkömmlicher Kondensator akkumuliert die Energie. Dies hält die Komplexität und damit auch Kosten und Energie in Grenzen, da keine speziellen Algorithmen und Komponenten für die Überwachung der Energiespeicherspannung nötig sind. Sobald genug Energie in dem Speicher vorhanden ist, startet das System. Es führt Messungen durch und überträgt die Daten auf die drei ADV-Kanäle von Ble. Anschliessend schaltet sich das System aus und der Zyklus beginnt von vorne.

Smartphone-tauglich und proprietär

Smartphones, die eine Ble-Schnittstelle besitzen, können die Daten empfangen und darstellen. Beispiele für iPhone, Android BS und Blackberry bestehen. Dazu müssen Anwender jedoch die passende App installieren.

Die Organisation der Daten im Frame ist proprietär. Dafür gibt es mehrere Gründe: Die gute Struktur trägt zu einer energiesparenden Übertragung bei, da das System nur ein Minimum an Daten sendet. Nach dem Wissensstand der InES-Mitarbeitenden waren sie die Ersten überhaupt, die Sensordaten direkt im Ble-Beacon-Rahmenformat integriert haben. Deshalb war es nötig, eine eigene Struktur zu definieren. Trotz der proprietären Struktur der Daten passt die Anwendung aber gut mit Ble zusammen – passende Apps lassen sich problemlos entwickeln.

Einfaches System mit kleiner MCU

Da die Daten in ADV-Frames gepackt sind, bleibt das System einfach. Die Anwendungsschicht ist direkt über der Verbindungsschicht – dem Link Layer – programmiert. Damit ist kein vollständiger Ble-Stack nötig, was zu einer sehr kleinen Software und einem niedrigen Energiebedarf führt. Ein kleiner 8-Bit-Mikrocontroller wie beispielsweise der EM 6819 von EM Microelectronic genügt. Zum Einsatz kommt der Ble-Controller EM 9301 des Unternehmens. Diese Schaltung implementiert genau die zwei nötigen Schichten PHY und LL. Das erlaubt dem Mikrocontroller, die Information in den in der Ble-Spezifikation vereinbarten Rahmen zu laden und zu senden. Der SHT 21 von Sensirion misst Temperatur und Feuchtigkeit. Weniger als 100 µJ sind nötig, um eine Messung durchzuführen und die Daten auf drei ADV-Kanäle zu übertragen. In einem Büro mit normalen Lichtbedingungen übermittelt das Tag Temperatur und Feuchtigkeit in regelmässigen Abständen. Da Sensorknoten über eine Adresse verfügen, kann man mehrere Sensoren an verschiedenen Orten eines Gebäudes wartungsfrei verwenden.

Infoservice


Zürcher Hochschule für Angewandte
Wissenschaften (ZHAW)
Institute of Embedded Systems
Technikumstrasse 9, 8401 Winterthur
Tel. 058 934 75 25, Fax 058 935 75 25
info.ines@zhaw.ch, www.ines.zhaw.ch



Sensor Tag (mit Outdoor-Solarzelle) und iPhone


Der Autor Lukas Hegetschweiler ist wissenschaftlicher Assistent am Institute of Embedded Systems der ZHAW in Winterthur


Mit einem Strommessgerät können Anwender die Programmabfolge sehr gut analysieren

Autor


Prof. Dr. Marcel Meli ist Dozent für Computertechnik und Schwerpunktleiter Wireless Systems am Institute of Embedded Systems der ZHAW in Winterthur

Programmiertes Stromsparen

Mit der richtigen Wahl und optimalen Anordnung der Komponenten ist der Grundstein für ein energiesparendes Gesamtsystem gelegt. Nun gilt es, die Komponenten optimal anzusteuern und möglichst stromsparend zu verwenden. Bei der ersten Programmierung wird das Gesamtsystem sicherlich noch zu viel Strom verbrauchen. Am Beispiel des Blens Tag lassen sich die wichtigsten Optimierungsschritte erläutern.

Analysetools

Neben dem Oszilloskop benötigt man auch ein Strommessgerät, wie beispielsweise den Power Analyzer von Keysight. Anwender können damit die Programmabfolge sehr gut analysieren. Dabei lässt sich überprüfen, ob jeder Zustand mit dem Energieverbrauch in den Datenblättern übereinstimmt. Falsch gesetzte Pins können beispielsweise Schleichströme verursachen, die einen grossen Einfluss auf den Gesamtverbrauch haben.

In der Grafik sieht man den Stromverbrauch (grün) bei 2,1 V (gelb). Für das Messen und Senden aller drei Bluetooth Advertising-Channels werden 89,7 µJ benötigt. Diesen Energiewert ermittelt man zwischen den beiden Messpunkten 1 und 2. Die Stromspitze am Anfang der Messung ist auf das Laden kleiner Kondensatoren zurückzuführen.

Parallelisieren

Mithilfe der Informationen aus den Datenblättern lassen sich Prozesse genau auf die Hardware anpassen. Während des Start- ups (a) des Temperatur-Feuchte-Sensors SHT 21 können andere Tasks erledigt werden. Dazu gehören Selektieren des optimalen MCU-Takts, Konfigurieren des Stand-by-Modus und Einstellen der I2C- und SPI-Schnittstelle. Da die MCU selbst 7 ms benötigt, bevor sie die erste Instruktion ausführt, kann die Messung danach sofort starten.

MCU-Sleep

Gibt es für die MCU während einer längeren Wartezeit nichts zu tun, sollte sie in einem möglichst tiefen Schlafzustand warten, beispielsweise während den Messungen (Temperatur: b, Feuchtigkeit: c). Die kleine Spitze zwischen b und c zeigt eine aktive Phase der MCU und die I2C-Kommunikation mit dem Sensor. Ausserdem ist zu sehen, dass der SHT 21 ein wenig vor dem Wake-up mit dem Messen fertig ist – man erkennt ein leichtes Absinken des Stromverbrauchs. Es empfiehlt sich, dies als Reserve für Zeitschwankungen zu belassen.

MCU-Takt

Meist lässt sich die Rechengeschwindigkeit an die langsamere Hardware anpassen. Falls danach viel Rechenpower gebraucht wird, kann man den Takt immer noch erhöhen. In diesem Beispiel läuft die MCU mit 15 MHz und wird während den drei Sendevorgängen (d) auf 2 MHz heruntergesetzt, um während der kurzen Wartezeit Strom zu sparen.