Trends wie Internet of Things (IoT), oder Wearable Technology basieren auf hochkomplexen Elektronikkonzepten:
3D-Elektronik: Optimale Gehäuselösungen für die Integration multifunktionaler Systeme
Ausgeklügelte Lösung im Miniformat: GED SensorNode Systembaukasten
Ausgeklügelte Lösung im Miniformat: Systembaukasten GED SensorNode
Eine schnelle und individuelle Entwicklung von „intelligenten Multisensoren“ für cyberphysische Systeme im Internet of Things (IoT) ist jetzt mit dem Baukastensystem „GED 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.
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
Ein großer Vorteil des GED 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 SensorNode implementiert, die etwa mittels Medianfilter oder Mittelwertbildung Funktionen bieten, die damit eine einfache Überwachung von Veränderungen ermöglichen.
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 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.
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.
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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Energy-Harvesting-Lösungen für die Sensorik
Energy-Harvesting Lösungen für die Sensorik
Bahnbrechende Entwicklungen für neue Anwendungen und Produkte
Als Energy-Harvesting (wörtlich „Energie-Ernten“) bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung. Die dafür eingesetzten Strukturen werden auch als Nanogenerator bezeichnet. Der Vorteil von Energy-Harvesting: Man vermeidet bei drahtlosen Anwendungen die Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien. Energy-Harvesting kommt damit eine wachsende Bedeutung für die Energieversorgung von Miniaturgeräten zu, etwa in der Sensorik und bei anderen mobilen Lösungen, aber auch im Bereich Wearable Electronics.
GED hat im Rahmen der vom BMBF geförderten Forschungsprojekte „FreiForm“ und „HySeP“ spezielle Hardware-Konzepte für Smart-Sensor-Systeme entwickelt. Sie ermöglichen es, sogenannte cyberphysische Systeme energieautark zu betreiben. Jetzt stehen die ersten beiden Harvesting-Lösungen bereit, um Sensoren in Produktionsmaschinen elektrisch zu versorgen.
Die Funktionen in einem Sensorknoten oder in einer „funktionalen Elektronikeinheit“:
Herausforderung Energieversorgung
Eine wichtige Funktion im Sensor stellt die Energieversorgung dar. Autarke Sensorsysteme, die ohne jegliche Kabel auskommen und vor allem möglichst wartungsarm funktionieren, benötigen eine optimierte Energiequelle. Rein batteriebetriebene Geräte sind für industrielle Anwendungen zumeist unbrauchbar. Ein Batteriewechsel ist oft nur durch aufwändige Demontage möglich. Daher hat man in den letzten Jahren sogenannte Energy-Harvesting-Techniken erforscht und entwickelt. Potenzielle Energiequellen im Umfeld wie Wärme, Bewegung oder Licht werden genutzt und in elektrischen Strom umgewandelt. Ein Nachteil dieser „Erntemethoden“ liegt allerdings darin, dass mit solchen Verfahren bislang nur einige wenige Mikroampere an Energie erzeugt werden konnten.
Im Zusammenhang mit der BMBF-Förderinitiative KMU-innovativ hat GED „Freiform“-Energy-Harvesting-Lösungen weiterentwickelt, die verschiedenen Anwendungen und Einbauorten für Industrie-4.0-Anwendungen gerecht werden:
- Ein Verfahren, das Licht als Energiequelle nutzt, arbeitet mit einer neuen Hochleistungs-Solarzelle. Mithilfe einer speziellen Beschaltung ermöglicht sie den komplett autarken Sensorbetrieb eines Kraft- und Temperatur-Sensorknotens in einer Drehmaschine. In Anwendungen, bei denen kein oder wenig Licht zur Verfügung steht, kann eine künstliche Energiequelle (IR-Strahler) die kontaktlose Energieübertragung ermöglichen.
- Die zweite Variante zur Energieversorgung basiert auf induktivem Harvesting. Eine Spule im Sensor wird durch einen fest angebrachten Magneten erregt, die erzeugte Energy in einem Akku gespeichert. Diese Lösung eignet sich zum Beispiel für Sensorsysteme in drehenden Bearbeitungsmaschinen.
Elementar für den energieeffizienten Betrieb der Sensorsysteme sind energieoptimierte Schaltungskonzepte, die an die Betriebsbedingungen flexibel anpassbar sind. GED hat daher mit den Projektpartnern Fraunhofer IZM und TU Berlin Konzepte und Algorithmen entwickelt, die eine Skalierbarkeit des Messbetriebs ermöglichen und die eine eigene Intelligenz zur Energieoptimierung implementiert haben. Damit lassen sich etwa intelligente Servicesensoren (Maintenance Sensors) realisieren, die auf individuell angepasste Grenzwerte oder Schwellwerte reagieren.
Für das Projekt FreiForm hat GED zusammen mit den Projektpartnern einen Sensor-Hardware- und Softwarebaukasten entwickelt, der auf drei Grundmodulen basiert:
- AFE Analog Front End mit ADC und Controller für DMS-Signale
- µController und Funk, mit Bluetooth-Low-Energy-Technik
- Powering für verschiedene Energy-Harvesting-Methoden
Flexible Energy-Harvesting Lösung von GED
Ein Ergebnis der Entwicklungen: GED kann Kunden eine flexible Standardlösung anbieten, wenn sie angepasste Sensorknoten für ihre IoT-Industrieanwendungen benötigen. Das hochintegrierte Messsystem beinhaltet mehrere Sensoren, etwa für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, und den Anschluss von zwei DMS-Sensoren, einem ARM3-Mikrocontroller mit Bluetooth-Funk (BLE) sowie dem Powering für eine 3D-Solarzelle in der Größe einer LED. Die komplette Elektronik ist auf Fingernagelgröße (20 x17 mm) miniaturisiert.
Die Lösung zeigt: Smarte Sensor-Anwendungen sind energieautark realisierbar! GED unterstützt Kunden bei der Integration und dem Housing mit besonders kleinen Gehäusebauformen für unterschiedliche Umgebungsbedingungen. Dafür kann GED auf verschiedene Energy-Harvesting-Lösungen zurückgreifen – gegebenenfalls mit einem Akku für die Zwischenspeicherung. Die Lösungen lassen sich inklusive der gesamten Elektronik und der Antenne in einem Gehäuse mit sehr kleinen Bauraumabmessungen integrieren.
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