Gemeinsam mit Industriepartnern und Forschungsinstituten hat GED den Sensorbaukasten GED-SensorNode entwickelt, der eine sehr einfache Konfiguration eines miniaturisierten Multi-Sensorsystems ermöglicht. Der drahtlose Multisensorik-Knoten wird mit Steckmodulen von nur 16 x 18 mm aufgebaut. Mit dieser kleinen Bauform lässt sich der GED-SensorNode selbst in Wellen und Kugellagern unterbringen oder auch an Vorrichtungen und Maschinen leicht nachträglich montieren. Dank integriertem Bluetooth-Funk und Energy Harvesting sind keine Kabel notwendig und eine freie Gehäuseanpassung an die Anwendung eröffnet neue, nahezu unendliche Einsatzgebiete.

Miniaturisierte Multisensorik — GED-SensorNode: Modular steckbar, selbständige Modulkonfiguration, sehr kleine Baugröße (15x18mm)

Aktuell stellt GED sechs Module zur Verfügung, die bereits ein großes Spektrum an Sensorfunktionen abdecken. Module für verschiedene Drahtschnittstellen sind in Entwicklung. Die Module können nach Bedarf zusammengesteckt werden und konfigurieren sich selbstständig. Weitere Sensormodule und Anschlussmodule für abgesetzte Sensoren bei kundenspezifischen Anwendungen sind kurzfristig realisierbar. Für Anpassungen von Hardware, Software und Gehäusen bietet GED einen umfassenden Entwicklungsservice.

Das Konzept: Modulare und intelligente Multisensorik

Kern des GED-SensorNode ist der leistungsstarke 32-bit-Microcontroller und das auf Sensoranwendungen ausgelegte Hardwarekonzept. Über das Realtime-Operating-System können parallele Tasks und vorgegebene Messabläufe gesteuert werden. Zur Vorverarbeitung der Sensordaten sind verschiedene Filter integriert, sodass die Daten direkt an der Messstelle schnell und energieeffizient verarbeitet werden können. Über das universelle Sensor-Frontend sind viele unterschiedliche messtechnische Aufgabenstellungen bereits abgebildet. Der Microcontroller mit integriertem Bluetooth-Funk (BLE, Bluetooth Low Energy, Version 5) kann die Daten von mehreren integrierten und externen Sensoren verarbeiten. So konnte GED einen intelligenten Multisensor zur Sensordatenfusion in sehr kleiner Bauform realisieren. In der Software sind statistische Funktionen und ein Ablaufautomat integriert, der insbesondere als Wartungs- und Überwachungssensor einsetzbar ist (Predictive Maintenance).

Multi-Sensor On the Edge – mit dem GED-SensorNode

Energy Harvesting – Autarker Sensorbetrieb optional auch mit LiIo-Akku

Für den IoT-Baukasten wurden Powerschaltungen für verschiedene Harvesting-Methoden integriert. So lässt sich über Solar-Harvesting mit nur vier Zellen in 3mm-LED-Bauform der komplette Sensorknoten betreiben. Weitere Harvestingmethoden, wie Temperatur, Piezo und Bewegungsenergie, können in das GED-SensorNode Konzept integriert werden. GED entwickelt derzeit einen eigenen Linear-Bewegungsharvester. Die Miniaturbauform soll eine Integration in Schrauben ermöglichen. Für den optionalen LiIo-Akku ist die Ladeschaltung integriert. Damit ist ein intelligentes Powerkonzept umgesetzt, dass mittels Harvesting Energie sammeln kann und in definierten Zyklen Messungen vornimmt.

Embedded Software und PC-Software GED-SensorHost

Die Firmware für den Microcontrollers verfügt über ein Real-Time-Operating-System (RTOS); eine flexible Tasksteuerung ermöglicht die intelligente Multisensorsteuerung für IoT-Anwendungen, z. B. für die vorbeugende Wartung (Predictive Maintenance). Über implementierte BLE-Charakteristiken kann der Sensorknoten weitreichend konfiguriert werden, um den prinzipbedingt erforderlichen Kompromiss zwischen Energiebedarf und Antwortverhalten möglichst ideal an die jeweilige Anwendung anzupassen. Die implementierte Sensor-Ablaufsteuerung ermöglicht es, schnell und einfach besonders flexible, „intelligente“ Sensorfunktionen zu konfigurieren.

PC-Software GED-SensorHost, zur Konfiguration und Visualisierung

Mit der zusätzlich verfügbaren Programmoberfläche GED-SensorHost können die Sensorknoten per PC über die Bluetooth-Verbindung konfiguriert und auch eingestellt werden (z. B. Alarmwerte). Die Messwerte lassen sich grafisch visualisieren. Graphen von mehreren Sensorknoten können in einem Fenster dargestellt werden; mehrere Datenmittelungen sind möglich, u. a. arithmetisch-geometrische Mittelung. Über das moderne und sichere BLE-Funkprotokoll sind diese auch auf einem Smartphone oder Tablett darstellbar. GED bietet aktuelle die Betaversion einer Smartphone-App an.

Standard- und kundenspezifische GED- SensorNode- Gehäuse

Eine weitere Besonderheit des GED-SensorNode Konzepts ist die Möglichkeit, das Gehäuse an die Anwendung kundenspezifisch anzupassen. Mittels generativer Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck können selbst komplexe Formen umgesetzt werden – nicht nur für die Bemusterung, sondern auch für die Serie. Das ist gerade dann wichtig, wenn in einem Gehäuse verschiedene Sensoren an bestimmten Positionen sitzen müssen. Bei größeren Serien setzt GED weiter auf den Kunststoffspritzguss. In Kooperation mit einem Hersteller können auch Kunststoffgehäuse mit Multimaterial hergestellt werden. Mit wärmeleitenden Kunststoffen oder Hochtemperatur-Kunststoffen ergeben sich neue Möglichkeiten für Low-Cost- und High-End-Anforderungen, z. B. für die Medizintechnik, wo zusätzliche Anforderungen wie die Biokompatibilität bestehen.

GED-SensorNode
Sensor mit Dehnungs-Messstreifen,
Akku und Antenne im Edelstahl-Gehäuse

Rechts: verschiedene Gehäuseformen in Kunststoff

Sensor on the Edge

Moderne Microcontroller sind heute in der Lage, die Daten von verteilten Systemen linear zu verarbeiten und lokalen Daten zu filtern; also eine rekursive Kombination durch eine Datenfusion der Messungen bereits im Sensorknoten vorzunehmen. So entsteht aus verschiedenen einzelnen Sensorinformationen eine viel größere Information oder ein Trend. Durch diese Sensordaten-Vorverarbeitung auf dem Microcontroller lässt sich außerdem die Übertragung großer Datenmengen erheblich reduziert und Echtzeitberechnungen können direkt vor Ort am Sensor durchgeführt werden. Auch der Energieverbrauch des Sensors lässt sich deutlich reduzieren, weil die Datenübertragung per Funk viel mehr Energie benötigt als Rechenoperationen auf dem Embedded-Controller.

Die Perspektive – Industrie 4.0

Das Zusammenwachsen der realen mit der virtuellen Welt durch CPS (cyber-physische Systeme) eröffnet der Industrie neue Möglichkeiten für intelligente Produktionssysteme sowie für die Realisierung vernetzter Produktionen mit übergreifenden Logistik- und Wertschöpfungsketten. Dafür werden miniaturisierte Multisensoren benötigt, die möglichst nahe an der Maschine, dem Werkzeug oder dem Werkstück angebracht werden können. So lassen sich mit einem IoT-Baukasten wie dem GED- SensorNode künftig sehr einfach neue Lösungen und Geschäftsmodelle für vielfältige Einsatzgebiete realisieren.

Internet of Things und cyber-physische Systeme im Kontext von Industrie 4.0