Erster Praxistest der Sensoren

Den Dauertest auf dem Schreibtisch haben die Sensoren gut überstanden, trotz gelegentlicher Übertragungsstörungen (ich vermute Interferenzen mit dem jeweiligen WLAN, dazu später mehr) lief das System stabil.

Aber die "echte" Welt ist doch etwas anderes. Die Umgebungsbedingungen in einer Papiermaschine sind für Elektronik-Komponenten schon außerhalb des normalen Consumer-Bereichs. Es gibt natürlich von praktisch allen Komponenten MILSPEC-Versionen oder solche für den Automotive Bereich, aber für eine Low Cost Anwendung ist das natürlich keine Lösung. Jetzt sind sie in einer echten Papiermaschine, die Basis steht in der Warte neben dem System zur Produktionssteuerung.

Unser Vorteil ist, daß wir keine lange Lebensdauer brauchen. Also sollte etwa die Alterung von Kondensatoren kein ernstes Thema sein. 85 Grad halten auch die "normalen" Typen aus und das ist ziemlich genau das Klima, in dem wir sie betreiben. Mehr Sorgen machen mir die Batterien. Die LiPos in den Sensoren sollten mit diesen Umgebungsbedingungen gut klar kommen. Aber im Router haben wir normale Alkaline Batterien verbaut. Da ist es schon eher fraglich, ob die durchhalten.

Unser erster Versuch geht über 4 Wochen. Bei 85 Grad und gut 30 Prozent relativer Feuchte. Damit kann man schon ganz komfortabel Mahlzeiten zubereiten ;-)

Aber zumindest bisher funktioniert alles. Am 24. haben wir die Sensoren installiert und bis heute keine (schlechten) Nachrichten bekommen.

Update: Eine Woche vorbei und alles noch OK.

Die Basisstation

Die Basis besteht aus einem Raspberry Pi, einem XBee-Modul und einer Echtzeituhr (da das Modul im Betrieb keine Netzwerkverbindung hat und die aufgenommenen Daten später mit anderen Daten synchronisiert werden müssen). Das XBee-Modul ist über die serielle Schnittstelle des Raspberry Pis angebunden. Das alles ordentlich auf einem Pi Plate Kit von Adafruit aufgebaut.

Was im Bild fehlt, ist das Display, ein 20x4 LCD-Display mit I2C-Schnittstelle. Was ausserdem fehlt, ist der 3.3 Volt Spannungsregler: Der Raspberry Pi liefert nur 50mA, das reicht für ein Standard XBee-Modul (wie im Bild). Wird ein XBee-PRO-Modul verwendet, reicht das bei weitem nicht aus. Die Entwicklungsversion (im Bild) läuft mit einem normalen Modul, also ist der separate Regler nicht nötig, in der Produktionsversion natürlich schon. Da hat das XBee-Modul auch eine externe Antenne.

Feuchtesensor

Für die Messung der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur verwenden wir einen HYT939 Sensor der Firma IST. Der ist zwar ziemlich teuer, hat aber eine exquisite Performance, spezifiziert ist er mit +/-1,8% Fehler bei der Feuchte (bei einer Wiederholgenauigkeit von 0,2%) und +/- 0,2K bei der Temperatur. So wie es aussieht, halten die Sensoren das auch ein.

Die Anbindung an einen Controller (hier ein Arduino FIO) ist simpel, da I2C-Schnittstelle:

Source (vollständiger Quellcode bei Github):

// HYT 939 Humidity Sensor Address
#define I2C_SENS 0x28

Wire.beginTransmission(I2C_SENS);
// send MR command --> write address of sensor
Wire.write(I2C_SENS);
Wire.endTransmission();

// wait til sensor data available
delay(100);

Wire.beginTransmission(I2C_SENS);
Wire.requestFrom(I2C_SENS,4);
unsigned char data[4];

while(Wire.available()) {
data[i++] = Wire.read();
}
humidity = data[0];
humidity &= 0x3f;
humidity *= 255;
humidity += data[1];

double dHumidity = 100.0/16384.0*humidity;

temp = data[2];
temp *= 255;
temp += data[3];
temp /= 4;
double dTemp = 165.0/16384.0*temp-40;

Ein weiterer Vorteil dieses Moduls ist der niedrige Standby Verbrauch von < 1 µA (sleep) und wenigen µA während der Messung.

Durch das runde Gehäuse mit Keramikmembran ist auch die Montage sehr einfach. Deshalb. Trotz des Preises (etwa 40 € als Einzelstück) lohnt sich das in Summe.

Ergänzung: Die Faktoren zur Umrechnung finden sich in den Application Notes

Reichweitentest der ZigBee Module

Da zunächst nicht ganz klar war, wie die Reichweite der Sensoren innerhalb einer (im wesentlichen aus Metall bestehenden) Papiermaschine sein würde, war der erste Vorversuch ein simpler Ausleuchtungs-/ Reichweitentest. In der Abbildung sind einige der Messpositionen gezeigt. Zunächst wurden normale XBee-Module mit Drahtantennen verwendet (ein Unterschied zu Chipantennen war nicht erkennbar). Es wurde eine Reihe von Messungen über einen Zeitraum von mehreren Minuten ausgeführt, angegeben sind jeweils Mittelwerte. Die Werte sollten nur als Anhaltspunkt angesehen werden, eine exakte Messung müsste systematischer ausgeführt werden. Da das Ziel aber nicht eine genaue Ausleuchtungsmessung dieser einen Maschine war, sondern es darum ging, eine Idee von den im Allgemeinen erzielbaren Reichweiten zu erhalten, reicht diese grobe Art der Messung hier aus.


Von Messposition 1 aus wurde zuerst die Dämpfung horizontal in Maschinenrichtung erfasst (Position 2 – FS). Im Anschluss wurde von Messposition 1 aus die Dämpfung zu Position 3 (TS) erfasst. Dies entspricht nahezu der maximalen Distanz innerhalb der Trockenpartie diagonal durch die Sektion. Hier wurde eine Signaldämpfung von -20 bis -25 dB ermittelt --> kein Problem. Als zweites Datenset wurde die Dämpfung im Übergang von innerhalb der Trockenpartie nach aussen erfasst. Dazu wurde auf Höhe der Messposition 1 auf TS der Empfänger ausserhalb der Trockenpartie (auf PM Boden) platziert. Der Sender wurde – zunächst bei geöffneten Haubentüren – auf Messposition 3 positioniert. Danach wurden die Haubentüren (TS) nacheinander geschlossen um Auswirkungen auf die Dämpfung zu erkennen. Hier wurde eine Dämpfung von etwa -35 (Haubentüren offen) bis -55 dB ermittelt, das ist an der Grenze einer verläßlichen Datenübertragung.Als letztes wurde noch die Dämpfung mit stärkeren Modulen (XBEE Pro) und Stabanttennen vom Haubeninneren bis in die Warte geprüft. Anfangspunkt war die Positionierung des Senders in Position 2 und des Empfängers im nächstgelegenen Wartenraum. Im Anschluss wurde die Dämpfung erfasst, wenn die Distanz erhöht wird. Dazu wurde der Sender auf Position 1 platziert. Hier wurde eine Dämpfung von -25 bzw. -35 dB gemessen.Insgesamt sind die Ergebnisse sehr ermutigend. Im Gegensatz zu den Erwartungen reduziert die metallische Umgebung das Signal wesentlich weniger als beispielsweise Stahlbetonkonstruktionen. Es kann eindeutig gefolgert werden, dass sich der Sender mit geringer Sendeleistung für den Einsatz eignet. Somit können die Ziele Kompaktheit des Sensors, Einzelkosten, Einsatzdauer voraussichtlich mit reduziertem Aufwand erreicht werden.

In der Papiermaschine ...

ist dann doch alles etwas anders aus. Schmutziger zum Beispiel ;-) Lauter, heißer und vor allem viel mehr Metall um einen rum ...

Um zu testen, wie sich die XBee-Module in dieser Umgebung verhalten, haben wir eine einfache Reichweitenmessung (letztlich fast nichts anders als der Reichweitentest der von Digi gelieferten Software) durchgeführt: Ein Sensormodul (ein Standard-Xbee mit einem simplen Temperatursensor) sendet Daten an eine Basisstation, dort wird die Signalstärke (RSSI) ausgewertet:

Man erkennt das lose rumhängende XBee-Modul am USB-Kabel ... aber es ist ja schließlich nur der erste Versuch, der klären soll, ob sich weiterer Aufwand überhaupt lohnt: Wenn die Reichweite nur ein paar Meter beträgt, wird das Projekt umgehend wieder eingestampft.

Aber damit nicht alles "frei verdrahtet" aussieht, haben wir wenigstens den Sensor in ein Kästchen eingebaut:

Der hat inzwischen einen Ehrenplatz auf meinem Schreibtisch ;-)

Architektur des Sensornetzes

Die einzelnen Sensoren kommunizieren über ZigBee, verwendet werden Module der Firma Digi. ZigBee hat hier zwei entscheidende Vorteile gegenüber WLAN:

Erstens handelt es sich um ein Mesh-Netz, dessen Routing-Topologie sich nach Bedarf anpasst. Dies ist wichtig, da die Sensoren in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, deren Funkabdeckung wechseln kann. Die Umgebung ist hier besonders kritisch zu sehen, da der zunächst geplante Einsatzort die Trockenpartie einer Papiermaschine ist, im wesentlichen eine sehr große Menge von Stahl, der von einer praktisch dichten Aluminiumhaube umgeben ist. Kann ein einzelner Sensor die Basisstation nicht erreichen, ist dies kein Problem, andere Sensoren können die Daten weiterleiten. Ist also etwa ein Sensor nicht zu erreichen, wird einfach zwischen diesen und den letzten erreichbaren ein weiterer Sensorknoten installiert. Da die Sensoren batteriebetrieben sind, ist dies praktisch kein Aufwand.

Zweitens kann mit ZigBee vergleichsweise leicht ein geringer Stromberbrauch realisiert werden. Die meiste Zeit sind die Module im Ruhezustand und werden nur gelegentlich zur Datenübertragung aufgeweckt. Für den Stromverbrauch letztlich entscheidend, ist die Minimierung der Dauer des aktiven Zustands.  Man kann zwar mit hoch optimierten Systemen (dazu siehe etwa Benedikt Ostermeier et al, Connecting Things to the Web using Programmable Low-power WiFi Modules, WoT '11 Proceedings of the Second International Workshop on Web of Things, Article No. 2, ACM, 2011) durchaus auch mit WLAN eine regelmäßige Datenübertragung bei Batteriebetrieb erreichen, aber ZigBee ist hier bereits "by design" schneller.

Als Sensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden Sensoren vom Typ HYT939 verwendet. Diese bieten eine hohe Genauigkeit bei einfacher Anbindung und einfachem Einbau. Die Vorverarbeitung der Daten erfolgt durch einen Arduino FIO, der von einer LiPo-Batterie versorgt wird.

Die Daten werden von den Sensoren zu einer Basisstation (ein Raspberry Pi mit Funkinterfaces und einem LCD-Display) übertragen, die diese lokal speichert und eine grobe Auswertung zur Zustandsdiagnose durchführt. Diese Basisstation bietet ein WLAN-Interface, um Anzeigegeräte anzubinden. Die Darstellung der Daten erfolgt auf einem Smartphone oder Tablet.

Dadurch ist eine ständige Überwachung der Betriebsparameter durch die Maschinführer leicht möglich. In einer späteren Ausbaustufe sollen die Daten per UMTS-Modem direkt zur Erstellung von Analysen bereitgestellt werden.

Worum es hier geht ....

Aus einer Unterhaltung (bei einigen Bierchen, aber da entstehen manchmal die besten Ideen) mit meinem Freund Dominik Mai entstand die Idee, meine Interessen und Erfahrungen (Internet der Dinge, Meßtechnik - das klingt jetzt vielleicht für einen Wirtschaftsinformatiker etwas seltsam, aber ich bin von Haus aus Physiker und habe mir mein Studium durch die Entwicklung von medizinischer Meßtechnik finanziert) und seine (Papiermaschinen, innovative Produkte) zu verbinden und ein Low Cost Sensornetz für den Einsatz im industriellen Umfeld, insbesondere eben in Papiermaschinen zu entwickeln.

Das klingt jetzt zunächst mal vielleicht nicht besonders spannend, die Technologien dafür gibt's ja schließlich schon länger, aber erstens ist die Umgebung dort alles andere als freundlich (heiß, naß, abrasiv) und zweitens sind die verfügbaren Systeme viel zu teuer.

Unser Ziel ist: 100 Euro pro Sensorknoten (zuzüglich dem eigentlichen Sensor), 500 für die Basisstation, 4-6 Wochen kontinuierlicher Betrieb ohne externe Stromversorgung, Installation/Konfiguration des Systems und Auswertung der Daten ohne IT-Expertenwissen. Das ist bei kleinen Stückzahlen sportlich. Und war vor ein paar Jahren sicherlich nicht möglich.


Ob es heute möglich ist, werden wir sehen. Die Zukunft ist es in jedem Fall.