Archiv des Autors: ckuehnel

2G für IoT-Anwendungen

Bislang schon bereits für tot erklärt und mit Abschaltungsszenarien belegt, stellt das mittlerweile betagte 2G-Netz immer noch eine Alternative zu 3G/4G und 5G dar.

Dass ein schnelles Internet und damit 5G seine Bedeutung haben, ist keineswegs strittig. IoT Anwendungen mit geringem Datenvolumen und mglw. auch geringen Datenraten kommen aber mit deutlich weniger Ressourcen aus.

Vergleicht man die Netzabdeckung der deutschen Telekom, dann bietet auch das 4G-Netz noch Lücken, die das 2G-Netz nicht bietet. Bei den anderen Anbietern sieht das weniger erfreulich aus.

Netzabdeckung 4G Telekom

Kostengünstige GSM-Module sowie preiswerte und flexible IoT-Tarife lassen 2G für IoT-Anwendungen (M2M) durchaus interessant erscheinen.

Ich verwende für einen abgesetzten Temperatursensor einen Arduino Uno und ein SIM800L EVB.

SIM800L EVB am Arduino Uno

Alternativen sind z.B. Maduino GPRS oder das GSM Modul aus der M5Stack-Familie.

Auf die Software selbst möchte ich hier nicht eingehen. Programmbeispiele zum SMS-Versand und HTTP-Zugriff sind auf Github zu finden.

Ich verwende hier den Mobilfunkanbieter ThingsMobile, der sich ausschließlich dem IoT widmet und international aufgestellt ist.

Der SMS-Versand ist einfach und bequem, allerdings kostenmäßig nicht zu empfehlen. Ich sende den Temperaturmesswert über HTTP-GET alle 5 Minuten an den Thingspeak-Server zu Visualisierung. Die erhobenen Messwerte können über die URL abgegriffen werden. Der Sensor selbst liegt auf meinem Arbeitstisch, misst also nur die Raumtemperatur.

Interessant sind die entstehenden Kosten. Aus dem Thingsmobile Report für die vergangene Woche kann man die folgenden Daten entnehmen:

Report für KW15

Der Datenverkehr belief sich auf 2.19 MB, die € 0.22 gekostet haben. Der Auszug aus dem Detailreport gibt einen Überblick über die versendeten Daten. Die Datenpakete sind entweder 980 oder 1950 Byte, was zu 370 KB am Tag führt. Diese 370 KB kosten dann € 0.036.

Auszug aus dem Report für den 15.04.2019

Bei diesen Kosten kann aus meiner Sicht für so oder ähnlich angelegte IoT-Anwendungen bedenkenlos mit dem 2G-Netz gearbeitet werden.

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Open-Source Real-Time OS für das IoT

Steht man heute vor der Aufgabe, ein neues Embedded System zu entwickeln, dann wird in den Anforderungen kaum die Anforderung nach einer Netzwerkverbindung fehlen. Dabei spielt es in erster Linie keine Rolle, ob es sich um eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation handelt, ob die Kommunikation durch die Anwendung genutzt wird oder einen Remote Access für Konfiguration und Service darstellt. Möglicherweise lassen sich diese Dinge auch kaum vernünftig trennen.

Ein Embedded System, welches derartige Anforderungen erfüllen muss, ist mit vernünftigem Entwicklungsaufwand nicht ohne Betriebssystem umsetzbar. Die Suche nach einem für die betreffende Aufgabenstellung geeigneten Betriebssystem umfasst, viele und sehr unterschiedliche Aspekte.

Betrachtet man die Langlebigkeit von Investitionsgütern, dann erscheint schon aus strategischen Gründen der Einsatz eines OS-RTOS zwingend. Einer ersatzlosen Abkündigung eines etablierten, proprietären RTOS kann auf diese Weise der Schrecken genommen werden. In einer gewissen Klasse von Embedded Systems bis hin zu Supercomputern gibt es mit Linux ein ausgezeichnetes Beispiel für ein solches Open Source Betriebssystem.

Damit ist Linux heute ein mächtiges Betriebssystem, welches aber auch gewisser Ressourcen bedarf und für Systeme mit kleinem Footprint, geringen Ressourcen und möglichst für Batteriebetrieb angepasstem Stromverbrauch weniger geeignet ist.

Analysiert man aus Github Daten für Code Frequency, Commits und Contributions für Contiki, RIOT und Zephyr, dann kann deutlich eine größere Aktivität der Community beim Zephyr OS gegenüber den anderen beiden RTOS verzeichnet werden. Natürlich ist das Zephyr OS auch ein „junges“ RTOS, was nicht in allen Bereichen bereits ausgereift sein kann.

Das Zephyr Project (https://www.zephyrproject.org/what-is-zephyr) ist ein von der Linux Foundation gehostetes Collaboration-Projekt, eine Open Source Zusammenarbeit, die führende Kräfte aus der gesamten Branche zusammenbringt, um mit dem Zephyr OS ein skalierbares Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) für mehrere Architekturen ressourcenbeschränkter Geräte zu entwickeln.

Der in der Zeitschrift Design & Elektronik erschienen Beitrag mit dem o.a. Titel (Design & Elektronik 3/2019, S. 42-48  ) soll Einblicke in das Zephyr OS und die Zephyr Entwicklungsumgebung geben. An Hand einiger einfacher und nachvollziehbarer Programmbeispiele wird die Vorgehensweise bei der Programmierung von Anwendungen und der Build Prozess dokumentiert. Die Programmbeispiele selbst sowie dazugehörige Screenshots sind auf Github unter https://github.com/ckuehnel/zephyrtests abgelegt.

Das Zephyr OS ist ein Open Source RTOS, welches durch das von der Linux Foundation gehostete Zephyr Project und die Nähe zu Linux das Potential hat, bei Embedded Systems mit kleinem Footprint in Zukunft vergleichbar erfolgreich zu werden, wie es Linux bei Systemen mit mehr Performance schon länger ist. Der Erfolg wird sicher stark durch die Community geprägt. Ausdauer und Kraft sind der Community zu wünschen. Die zentrale Mailinglist des Zephyr Projects [ https://lists.zephyrproject.org/g/main ] gibt aktuell Auskunft über die laufenden Aktivitäten.

Arduino Interrupts

Arduino Interrupts:
Speed up your Arduino to be responsive to events

Jetzt auch als Print erhältlich. ISBN 978-3-907856-42-7

Ist nun bei Amazon online unter https://www.amazon.de/dp/3907857429/

Cover



Graham Mantel

4,0 von 5 Sternen Interrupts Explained with examples

2. Dezember 2017 – Veröffentlicht auf Amazon.com Verifizierter Kauf

Interrupts are very useful item used in programming, by extending the basic range of the processor. This book explains in very clear English how to use interrupts . There also are many examples that I have inserted into my computer, and they all compile . Although finding the library files is more difficult, I have been given the run around trying to get the exact libary or equivalents . All being considered the book is well worth obtaining.

Arduino-Sensorknoten

Auf der Basis eines ESP8266-Mikrocontrollers von Espressif hatte ich gezeigt, dass man einen WiFi-tauglichen IoT-Knoten zu sehr geringen Kosten (es waren 15 US$) aufbauen kann [Building an IoT Node for less than 15 $: NodeMCU & ESP8266].

Dass WiFi auf Grund der geringen Reichweite und des doch recht hohen Stromverbrauchs für einen batteriebetriebenen IoT-Knoten allerdings nur unter bestimmten Bedingungen geeignet ist, war auch durch eigene Untersuchungen gezeigt worden [IoT Button (5th)].

Der hier betrachtete Sensorknoten soll deshalb neben der Anbindung verschiedener Sensoren auch unterschiedliche Kommunikationsmöglichkeiten (WiFi, LoRaWAN, BLE, GSM) aufweisen. Damit wird es möglich werden, einen konkreten IoT-Sensor baukastenartig zusammenstellen.

Sensorknoten

Der Beitrag „Arduino-Sensorknoten“ wird im Sammelwerk „Messen, Steuern, Regeln mit IBM-kompatiblen PCs“ des Weka-Verlags veröffentlicht.

ISBN 978-3824549009

Die Programmbeispiele werden auf Github abgelegt und stehen zum Donload zur Verfügung.

Der erste Teil des Beitrags ist in der Ausgabe 170 im Februar 2019 erschienen.

Sipeed MAix BiT for RISC-V AI+IoT

Heute eingetroffen:

Sipeed MAix BiT Front

Sipeed MAix BiT Back

Was hat Sipeeds MAix BiT zu bieten?

MAix’s CPU

Kendryte K210 system-on-chip (SoC), bietet folgende Features:

  • Dual-Core RISC-V 64bit IMAFDC
  • 8 MB high-speed SRAM
  • max. 800 MHz Clock
  • KPU (Neural Network Processor)
  • APU (Audio Processor)
  • Flexible FPIOA (Field Programmable IO Array) for GPIO Mapping
  • DVP camera and MCU LCD interface
  • Accelerators and peripherals: AES Accelerator, SHA256 Accelerator, FFT Accelerator (not APU’s one), OTP, UART, WDT, IIC, SPI, I2S, TIMER, RTC, PWM, etc

MAix’s Module integrates K210, 3-channel DC-DC power, 8MB/16MB/128MB Flash (M1w module add wifi chip esp8285 on it) into Square Inch Module.

M1 Module

Sipeed MAix BiT Development Board

Integriert USB2UART Chip, Auto-Download Schaltung, RGB LED, DVP Camera FPC Anschluss für FPC camera und Standard M12 Kamera), MCU LCD FPC Anschluss (für 2.4 inch QVGA LCD), SD Card Slot (Bild oben).

MAix’s SoftWare

  • MAIX wird durch ein Standalone SDK, FreeRTOS SDK auf Basis von C/C++ unterstützt.
  • Ein MicroPython Port unterstützt FPIOA, GPIO, TIMER, PWM, Flash, OV2640, LCD, etc. Das MaixPy Projekt und die MaixPy Dokumentation stehen auf Github zur Verfügung.

Ich bin gespannt auf die ersten Schritte in diesem neuen Umfeld…

Externer ADC am ESP32

In einem früheren Post hatte ich das ADDA-Subsystem des ESP32 untersucht und konnte nur wenig überzeugende Resultate präsentieren.

Ich habe die Messungen an einem neuen ESP32_Core_board v2 wiederholt. Die Resultate waren vergleichbar zur letzten Untersuchung.

ESP32 DAC-ADC-Characteristics

Im ESP32 Forum habe ich einen Hinweise zum Thema gefunden (https://www.esp32.com/viewtopic.php?f=2&t=4784&hilit=adc+accuracy) und eine Polynomapproximation der Kennlinie auf Github.

Diese Funktion habe ich in meinen Test eingebaut und die folgenden Ergebnisse erzielt:

ESP32 DAC-ADC-Characteristics

Schon in der Gesamtcharakteristik ist eine verbleibende Nichtlinearität zu erkennen, die im Detailbild noch deutlicher wird. Die Trendlinie zeigt eine Korrekturmöglichkeit am Gain. Es bleiben aber die nichtlineare Abweichungen , die allenfalls durch ein angepasstes Polynom reduziert werden könnten.

ESP32 DAC-ADS1015-Characteristics – Abweichung der ADC Spannung

Eine Alternative ist ein externer ADC. Ich verwende einen 12-bit ADC ADS1015, den es als Breakout Board von Adafruit u.a. gibt.

Adafruit ADS1915

Das Testprogramm ESP32_DAAD_ext_Test.ino ist auf Github abgelegt.

Die Resultate sehen folgendermassen aus:

ESP32 DAC-ADS1015-Characteristics

Erwartungsgemäss bekommen wir eine lineare Kennlinie, die aber bei näherem Hinsehen mit einem Offset und einem Gain behaftet ist, wie die folgende Darstellung besser zeigt.

ESP32 DAC-ADS1015-Characteristics – Abweichung der ADC Spannung

Diese Eigenschaften lassen sich kalkulatorisch ausgleichen und wir erhalten schliesslich Abweichungen im Bereich weniger mV.

Abweichung der ADC Spannung nach Offset- und Gain-Korrektur

Sonoff SC – Home Air Quality

Sonoff SC ist ein WiFi Luftgüte-Monitor für den Einsatz in Innenräumen.  Es werden Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Lichtstärke, Feinstaub und Geräuschpegel erfasst. Die erfassten Daten werden direkt an die iOS/Android App EWeLink geschickt. Die Spannungsversorgung erfolgt über microUSB mit 5 V.

Sonoff SC ist „hacker-friendly“. Ein ATMega328p erfasst die Sensordaten mit Hilfe eines Arduino-Programms und ein ESP8266 dient der WiFi Kommunikation. Sonoff SC Schaltplan und Arduino Code sind im Wiki des Herstellers zu finden.

Wie die folgende Abbildung zeigt, besteht Sonoff SC aus Komponenten, die dem Maker weitgehend bekannt sein dürften.

sonoff_sc_2

Die Feinstaub-Belastung wird mit dem Sharp Dust Sensor GP2Y1010AU0F gemessen. Zur Messung von Temperatur und rel. Luftfeuchtigkeit dient der verbreitete DHT11 Sensor. Ein Elektret-Mikrofon erfasst die Umgebungsgeräusche und ein Fotowiderstand das Umgebungslicht.

Nach Installation der Android App eWeLink (für iOS gibt es eine entsprechende App) kann Sonoff Sc mit dieser App verbunden werden, die dann die erfassten Messgrößen auf dem Smartphone anzeigt.

Screenshot_20181201-143318_eWeLink

Sonoff Sc ist kein professionelles Messinstrument. Das zeigen schon die eingesetzten Low-Cost-Komponenten. Fast viel wichtiger ist es, diesen Sensor als Grundlage für eigene Experimente aufzufassen. Dazu sind alle Informationen, wie Schaltplan und Quellcode, offen gelegt und bei einem Preis von aktuell unter USD 20,- kann man da nichts falsch machen.

Website des Herstellers und Bezugsmöglichkeit: https://www.itead.cc/sonoff-sc.html
Weitere Bezugsmöglichkeiten: Aliexpress, Amazon