LEBERLab „IoT“: Elektronikentwicklung auf LoRaWAN-Basis

 

Das Internet of Things (IoT) setzt Konnektivität voraus – und damit elektronische Geräte, die über das Internet kommunizieren und Aufgaben voll automatisiert ausführen. Weil die Nachfrage nach diesen sogenannten Smart Devices und damit nach dezentral platzierten Sensoren und Aktuatoren stark zugenommen hat, erweitern wir unser Portfolio um entsprechende IoT-Entwicklungsleistungen.

 

Den Startschuss dafür gab ein internes Projekt auf Basis der Low Power IoT Wireless Connectivity Technologie (LPWAN) LoRaWAN. In dessen Verlauf hat ein Team aus STL-Ingenieuren und Werkstudenten unter anderem mit verschiedenen Funkübertragungstechnologien experimentiert sowie mit der Frage, ob sich der Stromverbrauch von mit Sensoren ausgestatteten Geräten durch eine Optimierung der eingesetzten Elektronik und Firmware maßgeblich verringern lässt.

 

Für viele Gerätehersteller ein wichtiger Punkt, da Smart Devices wie beispielsweise Rauchmelder oder Temperaturfühler bis zu zehn Jahre unverändert im Einsatz sind – und dabei die meiste Zeit im Ruhemodus. Das Ergebnis der Untersuchung: bis zu 90 Prozent Stromersparnis sind möglich

 

Experimentieren im LEBERLab mit Hardware und Übertragungstechnologien

Im Rahmen des Projekts „LEBERLab IoT“ und unter Anleitung eines erfahrenen STL Projektmanagers testeten die Werkstudenten Leon Angele (Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm) und Kevin Steffan (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen) mehrere Monate lang verschiedene industrielle Mess- und Sensorikanwendungen und Übertragungstechnologien wie LoRaWAN und MIOTY sowie 5G KommunikationS. 

 

Dabei wurden unter anderem die Einsatz- aber auch Optimierungsmöglichkeiten von LoRa-Chips bzw. Transceiver-Modulen erforscht, die dazu mit verschiedenen Sensoren – beispielsweise für Temperatur- oder Luftfeuchtigkeitsmessung – verbunden wurden.

 

Zusätzlich wurde der angeschlossene Microcontroller unter die Lupe genommen, der die von den Sensoren gemessenen Daten an den LoRa-Chip übergibt, welcher diese dann drahtlos an ein LoRa-Gateway weiterleitet und  auf dem angeschlossenen Raspberry Pi Industrie-PC auslesbar macht. Dabei stand vor allem der Stromverbrauch des Microcontrollers im Fokus der Untersuchungen: das Forschungsteam wollte beweisen, dass eine Optimierung sowohl der Hard- als auch der Software von Microcontrollern eine signifikante Stromersparnis mit sich bringen kann.

 

Stromersparnis-Optionen für Smart Devices ermittelt

Für das Experiment wurde der Stromverbrauch des im Projekt eingesetzten Microcontrollers durch ein externes Messgerät für Ströme bis wenige Nanoampere gemessen. Schnell wurde klar, dass mit jedem Sendeintervall bzw. während der Datenübertragung der Stromverbrauch deutlich ansteigt – und dass auch in den langen Ruheperioden signifikant Strom verbraucht wird.

 

Das LEBERLab-Team erarbeitete daraufhin verschiedene Optimierungsszenarien. Darunter die Parametrierung bzw. Anpassung des Spreadingfaktors bei der LoRa-Übertragung: so implizierte eine schnellere Datenübertragung zwar einerseits eine Reichweitenverkürzung und erhöhte Störanfälligkeit, andererseits aber auch einen deutlich geringeren Energieverbrauch.

 

Hardware-Optimierung

Dieser konnte außerdem auch durch die Optimierung der verbauten Hardware erzielt werden. So entfernte das LEBERLab-Team unter anderem nicht benötigte Spannungsregulatoren und koppelte LEDs und weitere Elemente ab, die für die Aufgabenstellung nicht relevant waren.

 

„So ein Mikroprozessor deckt ja eine Vielzahl unterschiedlichster Funktionen ab“, erklären Leo Angele und Kevin Steffan. „Um seinen Stromverbrauch zu senken, haben wir alle deaktiviert bzw. vom Board getrennt, die für das Auslesen und die Übertragung der Daten nicht benötigt werden. Außerdem haben wir dafür gesorgt, dass der Prozessor in Zeiten, in denen er keine Daten überträgt,  in einen speziellen Tiefschlafmodus geht – und dafür, dass er danach aber auch ohne Verzögerung und korrekt wieder aufwacht“.

 

Tipp: Die Ergebnisse aus dem LEBERLab-Experiment präsentieren unsere Werkstudenten auf unserem Messestand auf der Embedded World, die vom 21. bis zum 23. Juni 2022 in Nürnberg stattfinden wird – Halle 4, Stand 4-215. Schauen Sie doch mal vorbei!


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