Ausgeklügelte Lösung im Miniformat: Systembaukasten GED IoT-SensorNode 

Eine schnelle und individuelle Entwicklung von „intelligenten Multisensoren“ für cyberphysische Systeme im Internet of Things (IoT) ist jetzt mit dem Baukastensystem „GED IoT-SensorNode“ möglich. GED hat in den letzten vier Jahren zusammen mit Partnern wie Fraunhofer IZM, TU Berlin, oder Schaeffler diese Lösung entwickelt, die neue Maßstäbe im Bereich der IoT-Sensorik für die Industrie 4.0 setzt.  

Der Baukasten für Sensorknoten von IoT-Industrieanwendungen ermöglicht eine multifunktionale und raumsparende individuelle Konfiguration von Funktionen und Bauform. In das miniaturisierte und hochintegrierte Messsystem lassen sich mehrere Sensoren, zum Beispiel für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie DMS-Kraftsensoren integrieren. Der leistungsstarke ARM3-Mikrocontroller mit integriertem Bluetooth-Funk (BLE) übernimmt die Sensorsteuerung und eine Sensordatenvorverarbeitung. Das integrierbare Energy Harvesting erfolgt z. B. über eine Solarzelle oder via induktiver Übertragung. Weitere Methoden sind adaptierbar und bereits in der intelligenten Powersteuerung vorbereitet.

Bild: Konzept des IoT-SensorNode von GED

Konzept des GED IoT-SensorNode

 

Durch Einsatz des 3D-Drucks lassen sich jetzt „smarte Multisensor-Lösungen“ in freier Formgebung realisieren. Dabei können Sensoren, Energy Harvesting und ein Akku inklusive der gesamten Elektronik und der Antenne in einem Gehäuse mit sehr kleinen Bauraumabmessungen integriert werden. Die komplette Elektronik für den Smart-Sensor ist auf Fingernagelgröße (20 x17 mm) miniaturisiert.

Freie Bauform durch Freiformkonzept

Bild: GED IoT-MultisensorNode mit Gehäuse in nur 40 x 20mm Baugröße

GED IoT-MultisensorNode mit Gehäuse in nur 40 x 20mm Baugröße

Ein großer Vorteil des GED IoT-SensorNode liegt darin, dass die Bauform an die Einbaubedingungen flexibel anpassbar ist. Da die Sensorelektronik eine sehr kleine Baugröße hat und keine Kabel für die Datenübertragung bzw. die Energieversorgung benötigt, lässt sich der preisgünstige Sensor optimal in der Maschine oder Anlage montieren. Durch ein Freiformkonzept lassen sich Kunststoffgehäuse kundenspezifisch umsetzen. Natürlich sind auch Metallgehäuse möglich, wie im Bild für einen Sensor für Backenfutter von Drehmaschinen, mit Kraftmessung und Drehzahlmessung.

Neue Einsatzgebiete

Neue Einsatzgebiete für die IoT-Sensorik liegen beispielsweise im Bereich des „Predictive Maintenance“. Hier überwachen Sensoren zeitgleich einen Verschleiß, so dass sich die Wartung effizient an den tatsächlichen Verschleiß anpassen lässt. Damit werden zum einen Maschinenstillstandzeiten erheblich reduziert sowie zum anderen unnötige, vorzeitige Wartungen erspart. Für die statistische Betrachtung von Verlaufsdaten sind bereits Filter im GED IoT-SensorNode implementiert, die etwa mittels Medianfilter oder Mittelwertbildung Funktionen bieten, die damit eine einfache Überwachung von Veränderungen ermöglichen.

Bild: Messdaten des DMS-Kraftsensors aus dem ADC mit und ohne Filterung (von oben nach unten: Median, Mittelwert, Rohdaten)

Messdaten des DMS-Kraftsensors aus dem ADC mit und ohne Filterung (von oben nach unten: Median, Mittelwert, Rohdaten)

Intelligente Multisensorik

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der multisensorischen Datenauswertung, die im Software-Konzept von GED ebenfalls implementiert ist. So ermöglichen zum Beispiel der Temperaturwert und der Frequenzwert eine Ableitung des Verschleißes von Lagern. Der GED IoT- SensorNode kann also durch den integrierten µController bereits Steuerungsfunktionen übernehmen. Das bedeutet: Es werden nicht mehrere einzelne Sensoren benötigt, deren Daten dann eine Recheneinheit mit Analogeingängen zur Umsetzung der Sensorsignale (SPS) auswertet. Dies übernimmt stattdessen eigenständig der „intelligente Multisensor“ in einem extrem kleinen Gehäuse zu sehr günstigen Kosten.

Oberfläche zur Konfiguration des GED IoT-SensorNode per BLE-Notifications

GED hat für die Konfiguration des Sensorknotens eigens eine Oberfläche programmiert, über die Anwender den Sensor sehr komfortabel konfigurieren können. Vom PC oder zukünftig auch Smartphone aus lassen sich die integrierten Sensoren via Bluetooth in sehr weitem Maß einstellen. So können Parameter wie die Genauigkeit bzw. Auflösung, die Anzahl der Messung je Zeiteinheit, Schwellen- und Alarmwerte und v.a.m. in einem Sensorprofil hinterlegt werden. Somit können Nutzer den Sensorknoten jederzeit energetisch optimal frei konfigurieren, um das Antwortverhalten möglichst ideal an die jeweilige Anwendung anzupassen. Die Konfiguration wird im nicht-flüchtigen Speicher des Sensorknotens gespeichert.

 

Bild: Konfiguration des Sensorknotens und Anzeige von Messdaten, hier des Kraftmess-Sensors, des Beschleunigungs-Sensors sowie der Temperatur im Sensorknoten.

Konfiguration des Sensorknotens und Anzeige von Messdaten, hier des Kraftmess-Sensors, des Beschleunigungs-Sensors sowie der Temperatur im Sensorknoten.

 

Über die sogenannten „BLE-Notifications“ kann das autarke Senden von neu eingetroffenen Messwerten als Datagramm aktiviert werden. Außerdem ist der Echtzeit-Export von Messdaten in eine CSV-Logdatei möglich.

Die Vorteile liegen auf der Hand:

•       Keine unnötigen Abfragen durch den Host/Gateway

•       Erhöhung des maximal möglichen Datendurchsatzes

•       Senkung des Energiebedarfs

GED bietet auf Basis des Baukastens den kompletten Service für die Entwicklung von Form- und Leistungs-angepassten IoT-Sensorknoten an.

Für die drei Funktionsebenen stehen fertige Schaltungsmodule zur Verfügung, mit der Möglichkeit unterschiedlichste Sensoren zu implementieren:

a.       Sensor Frontend

b.       Mikrocontroller und BLE-Funk

c.       Powering und Energy Harvesting

Ein Modul mit einem hochauflösenden ADC ermöglicht zum Beispiel die Implementierung von mehreren PT100 oder PT1000 Temperatursensoren oder Drucksensoren. Ein anderes Sensormodul hat einen kombinierte Kraftmesssensor für DMS-Brücken und einen Beschleunigungssensor. Eine Besonderheit: Die Verarbeitung der Signale der Dehnungsmessstreifen erfolgt in einem ASIC über ein spezielles Zeitmessverfahren (TDC), dass eine Auflösung von 24 Bit ermöglicht. Natürlich lassen sich auch digitale Sensoren per SPI- oder I2C-Bus integrieren.

Bild: IoT-Sensorknoten mit Funk und Energy-Harvesting-Schaltung, der zusammengefaltet die Größe eines Fingernagels aufweist (15 x 20mm)

IoT-Sensorknoten mit Funk und Energy-Harvesting-Schaltung, der zusammengefaltet die Größe eines Fingernagels aufweist (15 x 20mm)

 

Die Möglichkeiten, wie sich die Elektronik in kundenspezifische Bauformen integrieren lässt, werden in einem späteren Beitrag erklärt.

Ihr Ansprechpartner für den Service der GED IoT-SensorNodes ist GED-Geschäftsführer Hanno Platz.

 

 

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