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Das Microcontroller-Board als Gehirn des IoT-Projektes

Der Grundaufbau Open Source-basierter Projekte im Internet der Dinge bestehen aus einem Board mit Microcontroller, Eingängen und Ausgängen. Der Betrieb wird auch als „Physical Computing“ bezeichnet, da ein programmierter Microntroller Ausgänge schalten und Sensordaten einlesen kann. Bekanntestes Beispiel für Microcontroller-Boards ist der  Arduino Uno R3, mit welchem bereits eine Vielzahl von Projekten umgesetzt wurde. Etwas kleinere Varianten wie der Arduino ProMini oder Nano besitzen weniger Funktionen, sind jedoch deutlich kompakter und aufgrund ihrer geringen Stromaufnahme für Akku-betriebene Anwendungen geeignet.

Das Programmieren erfolgt über die Entwicklungsumgebung Arduino IDE, deren Code-Editor das Programmierung in C++ stark vereinfacht. Zur IDE werden ständig neue Module, wie Sensoren (Temperatur, Gas, Druck, Utraschall, GPS, RFID), Aktoren (Steppermotoren, Relais) und Steuerelemente (Bluetooth, GSM, RF) entwickelt. Diese können mit Hilfe von quelloffenen Bibliotheken in die Entwicklungsumgebung eingebunden werden und ermöglichen die Realisierung nahezu aller technischen Problemstellungen im Prototyping.

Das Projekt wird erst mit Hilfe von internetfähigen Microcontrollern zum IoT (Internet of Things)-Projekt. In quelloffenen hat sich der ESP8622 Microcontroller durchgestzt. Dieser kann entweder als Modul das Board mit dem WLAN (ESP8622 V1) verbinden oder ist bereits als ESP12 auf einem Board,  wie dem NodeMCU oder dem Wemos D1 Mini integriert.

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IOT-Dashboard

Diese Boards können wie auch die Arduino-Boards mit der Arduino IDE programmiert und deren Ein-bzw. Ausgangsdaten über kostenlose Cloud-Dienste (Thingspeak.com, Thinger.io oder Carriots.com) aufgenommen und gespeichert werden. Der Prozess wird daher als IoT-Monitoring bezeichnet. Aufgrund der WLAN-Verbindung kann das Monitoring weltweit erfolgen und es kann zusätzlich mit Hilfe von Aktoren auf Sensordaten reagiert werden.

Die Module

Die Module werden mit den Ein- bzw.  Ausgängen der Boards verbunden. Da sie verschiedene Funktionen besitzen, werden sie in Kategorien eingeteilt:

Sensoren

Sensor-Module sind in der Lage Umgebungsparameter, wie Temperatur, Feuchtigkeit (DHT21,22), Gaskonzentrationen (MG811,MQ2), Druck oder Lichteinfall zu ermitteln. Darüberhinaus werden ständig neue Module, wie Ultraschall (HTC …), Strom-Spannungssensoren (ACS …) und GSP-bzw. RFID-Sensoren zur Positionsermittlung entwickelt. Der Programmieraufwand ist minimal da zum Sensor-Modul eine Bibliothek existiert, welche im Programm eingelesen werden kann. Die Maker-Scene greift zudem auf diese Bibliotheken zurück und entwickelt weiter, so dass die Performance der Systeme kontinuierlich verbessert wird.

Aktoren

Aktoren sind in der Lage eine über das Board getriggerte Reaktion hervorzurufen. Die einfachsten Aktoren sind Relais, welche aus einem Schalter bestehen, der eine Spannung zu und abschalten kann. Mit Hilfe von IoT-fähigen Entwicklerboards kann der Schaltvorgang drahtlos über einen PC oder das Handy erfolgen und das weltweit. Relais können sowohl aus elektro-magnetischen Schaltern als auch aus Solid-State Devices (SSD) bestehen. Während SSD Relais schneller schalten können, sind EM-Relais in der Lage höhere Leistungen aufzunehmen.

Weitere Aktoren sind Motoren, wie Stepper Motoren (Nema xx), Servo-Motoren oder DC-Motoren die je nach Anwendung Objekte in zuvor definierte Positionen bringen können, zeit-bzw. sensorgesteuerter Bewegungen durchführen oder wie beim 3D-Druck Tisch und Extruder bewegen. Zur Motor-Steuerung sind je nach Motorart und Board zusätzliche Motor-Controller nötig, da die IoT-Boards die vom Motor geforderten Ströme nicht aufnehmen können. Als Lösungen existieren sowohl „Shields“ (NodeMCU Motor-Shield) auf welche das IoT-Board einfach aufgesteckt werden kann oder seperate Motorcontroller.

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Diplays und LED-Arrays

Mit diesen Modulen ist der Anwender in der Lage den Status der Sensor-Aktor-Systeme zu lesen und mit Hilfe von Touch-Panels vor Ort zu steuern. Neben den LCD-Displays haben sich Organische LED-Displays (OLED) durchgesetzt, da sie wenig Strom benötigen. Mit Hilfe der SPI-Schnittstelle können sie an das Board angeschlossen werden.

 

Beispielprojekte

  • Temperatur/ Feuchte Monitoring
  • LED-Arrays zur Kommunikation