Aufbau eines BLE-Netzwerks für diverse Umwelt-Sensoren
Ziel des Projekts ist der Aufbau eines skalierbaren, extrem stromsparenden Sensor-Netzwerks zur Überwachung von Umgebungsdaten. Der NanoBeacon IN100 SoC von InPlay Inc. kommt im SparkFun NanoBeacon Board – IN100 und im DFRobot Fermion BLE Sensor Beacon zum Einsatz.
Das SparkFun NanoBeacon Board – IN100 kann durch Sensoren mit einem QWIIC-Interface erweitert werden. Beim Einsatz der Fermion-Baureihe von DFRobot können verschiedene Sensoren (u.a. LM35, SHT40, SGP40) direkt mit dem Fermion BLE Sensor Beacon kontaktiert werden.
In beiden Fällen ist eine drahtlose Vernetzung der so gestalteten BLE-Sensoren möglich. Die übermittelten Daten können von einem zentralen ESP32-Gateway ausgewertet und zur Langzeitanalyse an eine IoT-Plattform übermittelt werden.
Ich verwende MicroPython für die Programmierung des ESP32-Gateways. Auf der Sensor-Seite kommt der Fermion BLE Sensor Beacon zum Einsatz. Datacake dient in bewährter Weise als IoT-Plattform.
Systemarchitektur & Datenfluss
Das System nutzt eine dreistufige Architektur, um maximale Effizienz und Reichweite zu erzielen:
- Sensor-Knoten (Edge): Mehrere Fermion BLE-Module fungieren als eigenständige Sender (Beacons). Sie erfassen analoge Signale (z-B. LM35) sowie digitale I²C-Daten (z.B. SHT40 für Feuchte/Temp, SGP40 für Luftqualität). Die Daten werden ohne festes Pairing direkt in die BLE Manufacturer Data (Advertising-Pakete) eingebettet.
- Zentral-Gateway (Processing): Ein ESP32 scannt unter MicroPython kontinuierlich das BLE-Spektrum. Er identifiziert die Fermion-Knoten anhand ihrer IDs, extrahiert die Rohdaten aus den Manufacturer-Bytes und berechnet die physikalischen Einheiten. Die aktuellen Messwerte werden unmittelbar auf einem OLED-Display (SSD1306) am ESP32 angezeigt.
- Visualisierung der aufbereiteten Daten und via MQTT an das Datacake-Dashboard versendeten Daten, wo sie für Monitoring, Alarme und Historien-Analysen zur Verfügung stehen.
Besondere Merkmale
- Ultra-Low Power: Durch den Verzicht auf eine dauerhafte BLE-Verbindung (Broadcasting) erreichen die Sensor-Knoten Batterielaufzeiten im Bereich von Monaten bis hin zu Jahren.
- Skalierbarkeit: Das System kann problemlos um weitere Knoten ergänzt werden, da der ESP32 als passiver Empfänger eine Vielzahl von Sendern gleichzeitig verarbeiten kann.
- Robustheit: Die Trennung von Erfassung (Fermion) und Verarbeitung (ESP32/Cloud) ermöglicht einen stabilen Betrieb auch in komplexen Umgebungen.
Aufbau eines Sensor-Knotens
Der Fermion BLE Sensor Beacon ist ein drahtloser Beacon, der Sensordaten über Bluetooth sendet. Ein integrierter 11-Bit-ADC kann zur Erfassung analoger Messwerte eingesetzt werden und über das I2C-Interface können Sensoren mit I²C-Interface ausgelesen werden. Auf die vom Beacon gesendeten Sensordaten kann innerhalb der Sendereichweite des Beacons mit Mobiltelefonen, Mikrocontrollern und anderen Geräten, die den BLE-Empfang unterstützen, zugegriffen werden.
Fermion BLE-Sensor-Beacons integrieren stromsparende Bluetooth 5.3-Technologie mit selbstkonfigurierbaren Datenformaten wie iBeacon, Eddystone, benutzerdefiniert und mehr.
Die BLE-Sensor-Beacons können mit einer CR2032-Knopfzellenbatterie betrieben werden. Es stehen bis zu sechs konfigurierbare GPIOs zur Verfügung, die alternativ auch zu zwei unabhängigen I²C-Schnittstellen konfiguriert werden können.
Das Datenformat der Beacon-Übertragung, der Inhalt der Übertragung, das Übertragungsintervall usw. können über die grafische Benutzeroberfläche NanoBeacon Config Tool konfiguriert werden, ohne dass für die Fertigstellung eines Bluetooth-Beacons die Programmierung von Code erforderlich ist.
Für einen ersten Versuch wurde der Beacon so konfiguriert, dass die interne Temperatur (Chiptemperatur) mit zwei Byte in den Manufacturer-Daten verankert wurde. Im NanoBeacon Config Tool ist das mit den Bytes 13 und 14 zu sehen,
Für die Visualisierung der empfangenen Daten verwende ich das nRF-Tool. Im folgenden Screenshot sind die Manufacturer-Daten markiert. Nach dem Hersteller-Code 0x0505 stehen die Bytes 0x0A3F = 2623D = 26.23°C. Von einem BLE-Scanner bzw. BLE-Gateway sind die übermittelten Daten nur noch zu parsen und jegliches Geheimnis ist gelüftet.
Zu Beginn habe ich der Einfachheit halber einen XIAO-ESP32-C3 auf einem XIAO-Erweiterungsboard als BLE-Scanner eingesetzt. Installiert ist die aktuelle MicroPython-Firmware v1.27.
Die MicroPython-Anwendung scannt die Umgebung nach Bluetooth-Signalen, die von Geräten wie Smartwatches, Fitness-Trackern, Sensoren oder Beacons ausgesendet werden, und identifiziert alle BLE-Geräte in Reichweite, die im Advertising-Modus Signale aussenden. Sie misst die Signalstärke (RSSI) und ruft Metadaten, darunter auch die Manufacturer-Daten, ab. In den Manufacturer-Daten ist hier der Temperaturmesswert verankert. Auf dem OLED-Display des XIAO-Erweiterungsboards werden diese Daten schließlich zur Anzeige gebracht.
Für den Einsatz in Innenräumen eignet sich das RAKBox-B3-Gehäuse, da es für die Sensorik gut belüftet ist und ausreichend Schutz der Komponenten sichert.
In der nächsten Projektphase wird das System um Fermion-Sensoren sowie kommerzielle BLE-Geräte ergänzt. Dabei entwickeln wir den BLE-Scanner zu einem BLE-MQTT-Gateway weiter, um die erfassten Daten zur Visualisierung an die Datacake-Plattform zu übertragen.
Parallel dazu arbeite ich an einem Fachbuch über MicroPython im IoT-Umfeld. Darin finden Sie – neben einer fundierten Einführung in MicroPython für gängige Mikrocontroller – praxisnahe Anwendungen auf Basis von WiFi, Ethernet, ESP-Now und BLE.
2026-02-22/CK
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