Sensormodule

Umwelt-Sensormodul (ENV)

Das ENV-Sensormodul verfügt über einen nur 2,5 x 2,5 mm² großen MEMS-Sensor für die Messung von Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Zusätzlich ist ein UV-Index-Sensor vorhanden.

Alle Sensoren werden über den I2C-Bus angesteuert. Vordefiniert ist eine zeitgesteuerte Abfrage der Sensoren mit anschließender Messwertübermittlung. Die Messzeit lässt sich dabei im Bereich von 1/s bis 1/h einstellen.

Beim UV-Sensor ist es nötig den Messwert in den UV-Index umzurechnen. Dies erfolgt nach der Formel: UVI=40m²/W * 5,8 * 10^-4 * (Messwert * 0,05W/m²)

Der Ausdruck in der Klammer ist die gemessene Bestrahlungsstärke mit einem Empfindlichkeitsmaximum bei 355 nm. Die Definition sieht vor, dass die Bestrahlungsstärke des Spektrums von 280…400 nm mit dem CIE (1987) Erythem Referenzwirkungsspektrum gewichtet erfasst wird. Da dies nur mit Sensoren der höheren Preislasse mit entsprechendem optischem Filter möglich ist, wird hier der Gewichtungsfaktor 5,8 * 10^-4 für 355 nm aus dem Referenzwirkungsspektrum verwendet. Durch die Konstante 40 m²/W erfolgt die Umrechnung in den dimensionslosen UV-Index.

Präsenz-Sensormodul (PIR)

Das PIR-Sensormodul besteht aus einem analogen Infrarot-Bewegungsmelder (PIR) und Beleuchtungssensor. Bei diesem Modul ist eine kontinuierliche Messwertübertragung nicht sinnvoll. Hier soll das Sensormodul nur bei Detektion einer Bewegung Daten an das Gateway senden.

Die Messwerte des Sensors werden im Gegensatz zum klassischen Bewegungsmelder nicht digitalisiert, sondern in analogen Werten zwischen 0 … 3 V ausgegeben. Somit lassen sich unterschiedlich starke Infrarotquellen unterscheiden was beispielsweise zur Detektion von Menschen und Tieren genutzt werden kann.

Der Lichtsensor liefert eine dem Beleuchtungswert in LUX proportionale Spannung im Bereich von 0 … 3 V, so dass Bezüge zu hell und dunkel oder Tag und Nacht hergestellt werden können.

Die Umrechnung erfolgt gemäß der Formel: E_V=10^{(Uin/R₁₈*10µA)}*Lux

Wobei 100.000 Lux einem hellen Sommertag entsprechen und einen Spannungspegel von 1,35 V ergeben!

Sensormodul (Grove)

Dieses Modul besteht aus zwei Steckverbindern für das Seeedstudio Grove-System. Je einer für analoge und digitale Sensoren.

Auf dem analogen Steckverbinder stehen neben Versorgungsspannung und GND zwei analoge Eingänge zur Verfügung für 0 ... 3V zur Verfügung, die aber auch als digitale IOs genutzt werden können.

Der digitale Steckverbinder stellt neben der Versorgungsspannung und GND einen I2C-Schnittstelle mit SCL und SDA (400 kHz) und integrierten Pegelwandlern zur Verfügung. Über diese Schnittstellen lassen sich Erweiterungsmodule nach dem Grove-Standard von Seeedstudio anschließen. Inzwischen sind weit über 100 solcher Module verfügbar, die neben unterschiedlicher Sensorik auch Kommunikationsinterfaces, diverse Schaltaktoren sowie Bedien- und Anzeigeelemente beinhalten.

Damit ist es hervorragend für Erweiterungen und Eigenentwicklungen geeignet. Über die PC-Software lässt sich hier der Inhalt des EEPROM-Speichers für die Ablaufsteuerung beschreiben, so dass auch für dieses Modul zusammen mit einem bestimmten Grove-Element eine Plug&Play Funktionalität ergibt.

Firmware Sensormodule

Vom Benutzer vorgegebene Einstellungen wie das Sende- oder Messintervall werden in einen nichtflüchtigen Speicher geschrieben. Die controllerinterne UART-Schnittstelle wird auf 115200 Baud eingestellt. Zum Senden werden der Schnittstelle die Daten in Form einer Zeichenkette übergeben. Der Empfang erfolgt in einer Interrupt-Routine, in der die empfangenen Bytes in einen FIFO übertragen werden.

Bei der Initialisierung der Sensormodule wird die verwendete Schnittstelle automatisch ausgewählt Dazu erfolgt die Messung der Versorgungsspannung vor dem Spannungsregler. Beträgt diese 3,3 V so ist das Sensormodul an das Gateway angeschlossen, der UART/USB-Wandler wird durch den Multiplexer umgangen. Wenn die Versorgungsspannung 5 V beträgt, wird die Kommunikation durch den Multiplexer über den UART/USB-Umsetzer geroutet.

Programmablauf Sensormodule

Der Programmablauf der Sensormodule besteht im Wesentlichen darin, dass nach der Initialisierung, die Sensoren abgefragt werden. Dies geschieht entweder nach Ablauf eines eingestellten Sendeintervalls oder nach Auftreten eines detektierten Ereignisses. Danach werden die Messwerte prozessiert und an das Gateway oder den PC übertragen. Befindet sich das Sensormodul im Drahtlosmode, wird der Controller zwischen den Messungen in den Sleepmode versetzt um die Stromaufnahme zu reduzieren. In den Betriebsarten UART bzw. USB bleibt der Controller eingeschaltet, um über die Schnittstelle Befehle entgegen nehmen zu können.

Energiebedarf Sensormodule

Die Stromaufnahme der Sensormodule wird zu großen Teilen durch die Software beeinflusst. Dabei ist es wichtig, zwischen den Messungen die Sensoren und der Controller in den Ruhezustand versetzt werden. Als interne Zeitbasis eignet sich der im Controller interne 32,768 kHz-Quarzoszillator, der im vordefinierten Abstand den Controller aufweckt. Die durchschnittliche Stromaufnahme liegt dabei bei im Ruhezustand bei wenigen µA. Während des aktiven Zustands werden einige mA benötigt. Dies hängt im Wesentlichen vom verwendeten Sensor und von der Anzahl der übertragenen Beacon-Pakete ab. Mit einer handelsüblichen USB-Powerbank mit einer Kapazität von 2000 mAh lässt sich somit ein Sensormodul etliche Monate lang betrieben.