Utvikle en brukervennlig evalueringsplattform for ekstern sensor

Fremskritt innen MEMS-teknologien har resultert i at mange nye sensorer har blitt tilgjengelige for bruksområder som spenner fra bevegelseskontroll til biometri – og alt derimellom. Prosjekter som omfatter sensorer må først gjennom en planleggingsfase for å identifisere potensielle deler. Produktvelgeren for sensorer fra DigiKey er en utmerket ressurs som kan bidra til å identifisere potensielle sensorer under planleggingsfasen. Det neste skrittet etter at en sensor har blitt identifisert, er vanligvis testing og evaluering. Det er ikke vanskelig å forstå at det å teste en sensor på arbeidsbenken bare er utgangspunktet. Man kan bekrefte kommunikasjon og funksjonalitet, men det er foretrukket at testingen foregår i de faktiske omgivelsene som sensoren vil se.

Figur 1. Evalueringsplattform for sensor installert hos DigiKey. (bildekilde: DigiKey)

Hensikten med dette prosjektet var å utvikle en fleksibel evalueringsplattform som lett kunne tilpasses for flere sensorer, trådløst sende testdata tilbake til brukeren og bruke lett tilgjengelig maskinvare fra lageret til DigiKey. Zigbee-protokollen ble valgt for trådløs datakommunikasjon fordi den er i stand til å håndtere flere uavhengige radioer i nettverket, og nettfunksjonen (mesh capability) gir økt rekkevidde og nettverksrobusthet. Jeg bestemte meg for å bruke en utendørs omgivelsessensor som et testprosjekt for implementering av evalueringsplattformen, siden beliggenheten vår (nordvest i Minnesota) tilbyr et mangfold av ulike værforhold.

Evalueringsplattform for sensor

Xbee3 Zigbee-modulen fra Digi er den intelligente styringen for plattformen. Grunner til å velge Xbee3 inkluderer muligheten til å fungere som en frittstående innebygd styring. Den integrerer trådløs Zigbee-radiokommunikasjon og støtter FOTA (firmware over the air) for eksterne oppdateringer. Xbee3 er koblet til et Xbee Grove-utviklingskort som eksponerer Xbee3 I/O til Grove-kontaktene for å gi enkel tilgang og konfigurering.

Figur 2: Evalueringsplattform for sensor. (bildekilde: DigiKey)

Zigbee-radiomaskinvaren ble montert på innsiden av et IP65-klassifisert PN-1323-CMB Bud-kabinett, slik at plattformen kunne monteres utendørs. TE Connectivity M8-panelmonteringskontaktene ble brukt for å anskaffe eksternt grensesnitt til en I2C-buss og 5 V strømforsyning. En Amphenol 336320-12-0250 u.FL til RP-SMA-panelmonteringsadapter ble brukt for å koble til den eksterne antennen.

Implementere plattformen med en omgivelsessensor

Omgivelsessensoren som ble valgt for testimplementering var MS8607 fra TE Connectivity, som måler trykk, temperatur og fuktighet. TE har et Grove MS8607-evalueringskort som gjorde det veldig enkelt å sette opp grensesnitt med evalueringsplattformen for sensoren. Komplette prosjektdetaljer, inkludert programkildekoden, er dokumentert på prosjektsiden for Xbee3 Zigbee MS8607-utendørssensoren for trykk, temperatur og fuktighet (PTH – Pressure Temperature Humidity), som ligger på DigiKey sin eeWiki site. Figur 3 viser de elektriske tilkoblingene og koblingsskjemaet for grensesnittet mellom sensoren og Zigbee-radioplattformen.

Figur 3: Xbee3 Zigbee PHT-sensorprosjekt for utendørs bruk – elektriske tilkoblinger og koblingsskjema. (tegnet ved hjelp av DigiKey Scheme-it®)

Fullstendig materialliste (BOM – bill of material) og prosjektdetaljer er inkludert i DigiKey Scheme-it®-prosjektet nedenfor.

Sensorplattformen i dette testprosjektet ble installert på taket på hovedkontoret til DigiKey. Figur 4 viser data om trykk, temperatur og fuktighet som ble samlet inn av PTH-sensoren i februar 2020.

Figur 4: Data om trykk, temperatur og fuktighet. (bildekilde: DigiKey)

Ekte fordeler med FOTA

Etter å ha installert sensorplattformen på taket på hovedkvarterbygningen, la jeg merke til at temperaturdataene på MS8607 ikke stemte overens med sensordataene fra en annen produsent som opererer i samme omgivelser. Når jeg tidligere testet den på skrivebordet mitt ved romtemperatur, hadde begge sensorene lignende avlesninger, men når de ble installert utendørs var det en betydelig forskjell ved kalde temperaturer. Etter å ha gått gjennom databladet, innså jeg at jeg ikke hadde implementert den sekundære korreksjonsformelen for lave temperaturer i MicroPython-programkoden. Fordi Digi Zigbee Xbee3-moduler støtter FOTA-firmware (fastvare) og -programfilsystem, var jeg i stand til å korrigere og oppdatere programkoden min eksternt fra skrivebordet. Jeg slapp å traske gjennom snøen for hente tilbake sensorplattformen og bringe den inn igjen for omprogrammering. Med FOTA kan en bruker oppdatere både radio-firmware (radiofastvare) og Micropython-programmet fra en annen Zigbee-node i samme nettverk. Informasjon om implementering av Xbee3 FOTA og et fungerende eksempel finnes i eeWiki-prosjektet Xbee3 Firmware Over The Air (FOTA)-oppdateringen ved bruk av XCTU.

Konklusjon

De trådløse Xbee3 Zigbee-modulene fra Digi fungerte fint som den intelligente styringen til sensorevalueringsplattformen. Plattformen er fleksibel og enkel å modifisere for forskjellige sensorer, og kan oppdateres ute i felten. Zigbee leverer et robust trådløst nettverk for sensordata som enkelt kan utvides.