Ontwikkelen van een eenvoudig te gebruiken evaluatieplatform voor externe sensoren

Vooruitgang in MEMS-technologie heeft ertoe geleid dat er veel nieuwe sensors beschikbaar zijn voor diverse toepassingen variërend van bewegingsbesturing tot biometrie en alles wat daartussen zit. Projecten waarin sensoren worden opgenomen, omvatten eerst een onderzoeksfase om potentiële onderdelen te identificeren. Voor deze onderzoeksfase is de Sensorproductselector van DigiKey een uitstekende bron van informatie om mogelijke sensors te vinden. Nadat een sensor is geïdentificeerd, moet deze worden getest en geëvalueerd. Maar laten we eerlijk zijn, het testen van een sensor in je werkplaats is niet ideaal. Je kunt de communicatie en functionaliteit controleren, maar het verdient de voorkeur om een sensor in de werkelijke omgeving te testen.

Afbeelding 1. Sensorevaluatieplatform geïmplementeerd bij DigiKey. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het doel van dit project was om een flexibel evaluatieplatform te ontwikkelen dat eenvoudig kan worden aangepast aan verschillende sensors, dat testgegevens draadloos naar de gebruiker terugstuurt en dat eenvoudig te verkrijgen, kant-en-klare hardware van DigiKey gebruikt. Het ZigBee-protocol werd gekozen voor draadloze gegevenscommunicatie, vanwege de mogelijkheid voor meerdere onafhankelijke radio's op het netwerk en omdat de mesh-functionaliteit een groter bereik en meer netwerkflexibiliteit biedt. Ik besloot om voor de testimplementatie van het evaluatieplatform een buitenomgevingssensor te gebruiken, aangezien onze locatie (noord-west Minnesota) een grote verscheidenheid aan weersomstandigheden biedt.

Sensorevaluatieplatform

De Xbee3 Zigbee-module van Digi is de intelligente controller voor het platform. Redenen om de Xbee3 te selecteren zijn onder andere de mogelijkheid om Xbee3 als zelfstandige geïntegreerde controller te gebruiken, het gebruik van de Zigbee-radio voor draadloze communicatie en de ondersteuning van FOTA (firmware over the air) voor externe updates. De Xbee3 wordt eenvoudig opgezet en aangesloten op een Xbee Grove ontwikkelingsboard waardoor de Xbee3 I/O naar Grove-connectors gemakkelijk toegankelijk worden.

Afbeelding 2: Sensorevaluatieplatform. (Bron afbeelding: DigiKey)

De Zigbee-radiohardware werd in een IP65-gecertificeerde PN-1323-CMB-behuizing van Bud gemonteerd zodat het platform buiten kon worden gemonteerd. M8-paneelconnectors van TE Connectivity werden gebruikt voor een externe interface naar een I2C-bus en 5V-voeding. Een 336320-12-0250 u.FL naar RP-SMA paneeladapter van Amphenol werd gebruikt om de externe antenne aan te sluiten.

Implementatie van het platform met een omgevingssensor

De voor de testimplementatie geselecteerde omgevingssensor was een MS8607 van TE Connectivity die luchtdruk, temperatuur en luchtvochtigheid (PTH) meet. TE levert een Grove MS8607-evaluatieboard voor zeer eenvoudige communicatie met het sensorevaluatieplatform. Complete projectdetails, waaronder de applicatiebroncode, zijn te vinden op de projectpagina Xbee3 Zigbee Outdoor MS8607 Pressure Temperature Humidity (PTH) Sensor op de eeWiki-site van DigiKey. Afbeelding 3 toont de elektrische aansluitingen en het bedradingsschema voor de interface tussen de sensor en het Zigbee-radioplatform.

Afbeelding 3: Elektrische aansluitingen en bedradingsschema van het Xbee3 Zigbee PTH-sensorproject. (getekend met behulp van DigiKey Scheme-it®)

De volledige stuklijst en projectdetails zijn te vinden in het onderstaande DigiKey Scheme-it®-project.

In dit testproject werd het sensorplatform op het dak van het hoofdkantoor van DigiKey opgesteld. Afbeelding 4 geeft de in februari 2020 door de PTH-sensor gemeten luchtdruk, temperatuur en luchtvochtigheid weer.

Afbeelding 4: Gemeten luchtdruk, temperatuur en luchtvochtigheid. (Bron afbeelding: DigiKey)

Een praktijkvoorbeeld van FOTA

Na het installeren van het sensorplatform op het dak van ons hoofdkantoor merkte ik dat de MS8607-temperatuurgegevens niet overeenkwamen met een sensor van een andere fabrikant die in dezelfde omgeving was geplaatst. Bij een eerdere test aan mijn bureau op kamertemperatuur hadden beide sensoren dezelfde waarden, maar buiten was er een significant verschil bij lage temperatuur. Nadat ik de datasheet had bekeken, realiseerde ik dat ik de formule voor secundaire lagetemperatuurcorrectie in de MicroPython-applicatiecode niet geïmplementeerd had. Omdat Zigbee Xbee3-modules van Digi FOTA ondersteunen voor firmware en applicatiebestandssystemen, kon ik mijn applicatiecode ‘over the air’ vanuit mijn kantoor op afstand corrigeren en updaten. Ik hoefde niet door de sneeuw om het sensorplatform te gaan halen en naar binnen te brengen voor herprogrammering. Dankzij FOTA kunnen gebruikers zowel de radiofirmware als de MicroPython-applicatie van een ander Zigbee-knooppunt in hetzelfde netwerk op afstand bijwerken. Informatie over het implementeren van Xbee3 FOTA en een werkend voorbeeld zijn te vinden in het eeWiki-project Xbee3 Firmware Over The Air (FOTA) update using XCTU.

Conclusie

De Xbee3 draadloze Zigbee-modules van Digi werkten uitstekend als intelligente controller voor het sensorevaluatieplatform. Het platform is flexibel, eenvoudig aan te passen aan verschillende sensoren en kan in het veld worden bijgewerkt. ZigBee biedt een robuust draadloos netwerk voor sensorgegevens dat eenvoudig kan worden uitgebreid.