Archiv der Kategorie: Hardware

Massgeschneidert für IoT Anwendungen

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Espressif’s ESP32 ist aus IoT Anwendungen kaum noch wegzudenken. Geringe Stromaufnahme, eine leistungsfähige CPU und WiFi- bzw. BLE-Connectivity sind der Schlüssel für den Erfolg in diesem Bereich.

Eine Vielzahl dieser Anwendungen setzt das ESP-WROOM-32x-Modul von Espressiff ein.

Die ESP32-WROVER Serie besticht durch einige Modifikationen der ESP32-WROOM-32x-Module, die unter anderem ein zusätzliches 8-MB-SPI-PSRAM (Pseudo Static RAM) enthalten.

Das zusätzliche PSRAM kann für Geräte mit einem Display sehr nützlich sein. Wenn der Grafiktreiber einen Framebuffer verwendet, können so mehr Farben unterstützt werden.

Für das maschinelle Lernen bietet TensorFlow Lite alle Tools, die Sie zum Konvertieren und Ausführen von TensorFlow-Modellen auf Mobil-, Embedded- und IoT-Geräten benötigen. Genügend Speicher sollte aber vorhanden sein und den kann ein ESP32-Wrover nun bieten (siehe Tabelle).

Zu Tensorflow Lite auf dem ESP32 finden Sie weitere Informationen unter https://towardsdatascience.com/tensorflow-meet-the-esp32-3ac36d7f32c7

ModuleChipFlash, MBPSRAM, MBAnt.Dimensions, mm
ESP32-WROOM-32ESP32-D0WDQ64–MIFA18 × 25.5 × 3.1
ESP32-WROOM-32DESP32-D0WD4, 8, or 16–MIFA18 × 25.5 × 3.1
ESP32-WROOM-32UESP32-D0WD4, 8, or 16–U.FL18 × 19.2 × 3.1
ESP32-SOLO-1ESP32-S0WD4–MIFA18 × 25.5 × 3.1
ESP32-WROVER (PCB)ESP32-D0WDQ648MIFA18 × 31.4 × 3.3
ESP32-WROVER (IPEX)ESP32-D0WDQ648U.FL18 × 31.4 × 3.3
ESP32-WROVER-BESP32-D0WD4, 8, or 168MIFA18 × 31.4 × 3.3
ESP32-WROVER-IBESP32-D0WD4, 8, or 168U.FL18 × 31.4 × 3.3
Key characteristics of ESP32 Modules (https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/hw-reference/modules-and-boards.html)

Aus Fernost werden mittlerweile unterschiedlich ausgestattet Module mit ESP32-WROVER-B angeboten.

Ein gerade für IoT-Anwendungen optimal angepasstes Board wird mit dem ESP32 ePulse Dev Board von der Schweizer Firma Thingpulse angeboten.

Das Board ist für geringen Stromverbrauch und einen breiten Eingangsspannungsbereich optimiert. Weitere technische Aspekte finden Sie im Beitrag Designing the ESP32 Dev Board I always wanted.

Der VIN-Pin akzeptiert Spannungen zwischen 3.3 V und 12 V DC. Wenn sich das Board im Tiefschlaf befindet, verbraucht es nur zwischen 25 uA (bei 3.3 V) und 35 uA (bei 12 V). Die meisten ESP32-Boards verbrauchen etwa 100 – 130 uA.

Thingpulse bietet das Board für $ 16.90 an https://thingpulse.com/product/epulse-thingpulse-esp32-devboard/. Early Birds bekommen es noch für $ 12.70.

M5StickC Devices

2 Antworten

Der M5StickC hat einen internen LiPo-Akku mit einer Kapazität von 80 mAh, der dem mobilen Einsatz dann doch gewisse Grenzen setzt. Bei meinen Experimenten zur Messung der Wassertemperatur hatte ich das zu berücksichtigen.

Kurz vor dem Jahresende 2019 kam Post aus Shenzen mit dem 18650C HAT, einem Batterieteil für den M5SticKC mit integriertem wiederaufladbaren LiPo-Akku 18650 mit einer Kapazität von 2000 mAh.

Das Batterieteil ist mit den Steckern der HAT-Serie ausgestattet, mit denen eine zuverlässige Verbindung zum M5StickC hergestellt werden kann. Die Unterseite ist mit einer USB-Ladeschnittstelle ausgestattet. Der USB-C-Anschluss des Batterieteils wird nur als Ladeschnittstelle verwendet und hat keine UART-Funktion. Auf der Rückseite des Batterieteils befinden sich zahlreiche Befestigungslöcher, die eine einfache Befestigung des gesamten Devices ermöglicht.

Handheld-Thermometer

Ich habe mit dem ENV Hat und dem M5StickC ein Handheld-Thermometer aufgebaut.

Über den BMP280 im ENV Hat werden Temperatur, relative Luftfeuchte und barometrischer Druck gemessen und im Sekundentakt auf dem M5StickC Display zur Anzeige gebracht.

Ich werde die Laufzeit einer Batterieladung in der Folge testen und hier berichten.

Überwachungsmassnahmen für den Batteriezustand sind nicht implementiert.

Neustart mit RISC-V

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Damit sich eine neue Befehlssatzarchitektur für Controller oder Prozessoren durchsetzt, ist viel Aufwand erforderlich. Hardware-Hersteller müssen überzeugt, Entwicklungswerkzeuge müssen angepasst und Entwickler eingearbeitet werden. Entsprechend selten kommt ein neuer Befehlssatz auf den Markt. Aber RISC-V hat die Anfangshürden genommen und ist auf dem Weg zum Erfolg.

Unter dem Titel „Neustart mit RISC-V“ ist eine Beitrag zu RISC-V in der Zeitschrift Design & Elektronik Heft 1/2020 angekündigt.

Um die Performance des Maixduino, einem Arduino-kompatiblen Kendryte K210 Dual-Core 64-bit RISC-V Prozessor (RV64IMAFDC), gegenüber anderen Arduinos resp. Arduino-kompatiblen Mikrocontrollern zu vergleichen, habe ich zwei Benchmarks laufen lassen:

  • Sieve of Eratosthenes
  • CoreMark

Den ersten Benchmark habe ich zu Vergleichszwecken verwendet, da ich in der Vergangenheit damit bereits zahlreiche Tests vorgenommen habe.

Erweiterung der Arduino-Familie: ESP32 – wie gut ist es?
https://www.elektroniknet.de/design-elektronik/embedded/erweiterung-der-arduino-familie-esp32-wie-gut-ist-es-160294.html

Arduino32: Die jungen Wilden.
http://www.elektroniknet.de/embedded/arduino32-die-jungen-wilden-131502.html

CoreMark 1.0 hingegen ist ein vom EEMBC empfohlener Test und zudem an die Arduino-Umgebung angepasst (https://www.eembc.org/coremark/). Beide Benchmarks stehen unter https://github.com/ckuehnel/newArduino/tree/master/Maixduino zum Download zur Verfügung.

Die Resultate der beiden Benchmarks zeigen die folgenden Abbildungen. Verglichen wurden ein Arduino Due (AT91SAM3X8E@84 MHz), ein ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz) und ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz).

Tastaturerweiterung für M5StickC

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Die Eingabemöglichkeiten über die zwei Tasten des M5StickC sind zwangsläufig limitiert. Möchte man eine voll ausgestatteten QWERTY-Tastatur für den M5StickC zur Verfügung haben, dann ist das CardKB HAT eine gute Möglichkeit.

Das CardKB HAT bietet auch Unterstützung für verschiedene Tastenkombinationen (Shift + Taste, Fn + Taste), mit denen praktisch viele verschiedene Tasten hinzugefügt werden können. Der Tastaturstatus wird mit einer RGB-LED angezeigt. Leider ist diese in der Ecke links oben nicht sehr günstig angeordnet, da sie durch den M5StickC abgedeckt wird. Das Keyboard meldet sich als I2C-Device mit der I2C-Adresse 0x5F.

Das die unten angezeigten Ausgaben erzeugende Testprogramm M5StickC_Keyboard.ino steht auf Github zum Download zur Verfügung. Die Tastatureingaben werden hier auf dem M5StickC-Display in grün dargestellt.

Teensy 4.0 – NXP’s i.MX RT1062 für alle

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Teensy 4.0

Mit dem Teensy 4.0 steht ein kompaktes, aber dennoch handliches Boards mit NXP’s i.MX RT1062 (Arm Cortex-M7), einem sogenannten Crossover Processor (Kombination aus Mikrocontroller & Application Processor) , zur Evaluation bereit.

Die Ausstattungsliste im Datenblatt liest sich wie der Wunschzettel eines Embedded Entwicklers in der Vor-Weihnachtszeit. Ein Blick ins Datenblatt (https://www.nxp.com/part/MIMXRT1062CVL5A ) zeigt das.

Paul Stoffregen hat dafür gesorgt, dass der Teensy 4.0 auch als Arduino-kompatibler Mikrocontroller gehandhabt werden kann ( https://www.pjrc.com/teensy-4-0/ ) und somit der derzeit wohl leistungsfähigste Arduino zu einem sehr moderaten Preis von USD 19.95 zur Verfügung steht.

Den ersten Eindruck möchte ich mit den erweiterten Benchmarks aus meinem letzten Post https://ckblog2016.net/2019/08/19/maixduino/ beschließen.

Verglichen wurden eine Arduino Due (AT91SAM3X8E@ 84 MHz), eine ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz), ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz) und ein Teensy 4.0 ( i.MX RT1062@600 MHz). Hier sind die Resultate der beiden Benchmarks:

Benchmarkergebnisse Sieve of Erastothenes
Benchmarkergebnisse Coremark 1.0

Wie die beiden Benchmarks deutlich zeigen, hat Teensy 4.0 mit seinem mit 600 MHz getakteten i.MX RT1062 die Performance des Maixduino wesentlich überboten und kann als derzeit leistungsfähigster Arduino-kompatibler Mikrocontroller (oder eben als Crossover Processor) angesehen werden.

Maixduino – Arduino-kompatibel auf Basis RISC-V

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Das ganze $23.90 kostende Sipeed Maixduino Kit for RISC-V AI + IoT ist seit geraume Zeit im Haus und hat auf die Inbetriebnahme gewartet. Ziel für mich war, das Board in der Arduino-Umgebung in Betrieb zu nehmen, um einen direkten Vergleich zu anderen Arduinos zu bekommen.

Zum Lieferumfang des Maixduino Kits gehören die folgenden Komponenten:

  • Maixduino Board (rechts)
  • 2.4 inch TFT Display (Mitte)
  • OV2640 camera module (links)
Komponenten des Maixduino Kits

Die Frontseite des Maixduino Boards zeigt an Hand der Buchsenleisten Kompatibilität zum Arduino-Formfaktor und die Rückseite zeigt in einem Blockdiagramm die zur Verfügung stehenden Ressourcen.

Neben der eigentlichen Inbetriebnahme in der Arduino IDE hat mich vor allem die zu erwartende Performance interessiert.

Um das Maixduino Board der Arduino IDE bekannt zu machen ist der folgende Eintrag in den Preferences vorzunehmen.

File -> Preferences: Eintrag der URL http://dl.sipeed.com/MAIX/Maixduino/package_Maixduino_k210_index.json unter Additional Boards Manager URLs. Einträge durch Komma separieren.

Im Boards Manager dann Maixduino (K210) selektieren und die folgenden Board Settings einstellen:

  • Board: Maixduino
  • Burn Tool Firmware: open-ec
  • Burn Baudrate: 1.5 M
  • Port: Serial port
  • Programmer: k-flash

Die Programmer Software k-flash wird vom Norton SONAR entfernt. Norton muss hier entsprechend eingerichtet resp. „entschärft“ werden. Die komplette Installation ist unter https://maixduino.sipeed.com/en/get_started/install.html beschrieben.

Um die Performance des Maixduino gegenüber anderen Arduinos resp. Arduino-kompatiblen Mikrocontrollern zu vergleichen, habe ich zwei Benchmarks laufen lassen:

  • Sieve of Eratosthenes
  • CoreMark

Den ersten Benchmark habe ich zu Vergleichszwecken verwendet, da ich in der Vergangenheit damit bereits zahlreiche Tests vorgenommen habe:

CoreMark 1.0 ist ein vom EEMBC empfohlener Test und zudem an die Arduino-Umgebung angepasst ( https://www.eembc.org/coremark/ ). Beide Benchmarks stehen unter https://github.com/ckuehnel/newArduino/tree/master/Maixduino zum Download zur Verfügung.

Hier nun die Resultate der beiden Benchmarks. Verglichen wurden eine Arduino Due (AT91SAM3X8E@ 84 MHz), eine ESPduino-32 (ESP-Wroom-32@80 MHz) und ein Maixduino (Kendryte K210 RISC-V@400 MHz):

Benchmarkergebnisse Sieve of Erastothenes
Benchmarkergebnisse Coremark 1.0

Gegenüber dem Arduino Due hatte der ESP-32 bereits eine deutliche Verbesserung der Performance gezeigt, die aber vom Maixduino noch wesentlich überboten wird. Damit dürfte der Maixduino derzeit der leistungsfähigste Arduino-kompatible Mikrocontroller sein.

Messung der Wassertemperatur

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Auf meiner Website http://ckuehnel.ch/WetterVitte.html habe ich Temperaturangaben für Vitte auf der Insel Hiddensee.

Die Angaben aus dem Netz für die Wassertemperatur der Ostsee zeigen erhebliche Differenzen. Gelistet sind auf der Website Wassertemperaturen aus folgenden Quellen:

Mit dem im Post Rapid Prototyping mit M5Stack beschriebenen M5StickC und einem wasserdichten DS18B20-Temperatursensor mit einer Zuleitungslänge von 1 m habe ich ein portables Messgerät aufgebaut, mit dem die Wassertemperatur in 1 m Tiefe gemessen werden kann.

Die Messwerte für den Zeitraum 4.06. bis 13.06.2019 sind als Excel-Sheet abrufbar.

Gemessen wurde am Wasserrand nahe der Oberfläche und im Wasser (Strandnähe) bei 1 m Wassertiefe. Interessant sind für mich folgende Feststellungen:

  • die Messwerte schwanken viel stärker als vom BSH für Kloster angegeben
  • bei Ostwind sinkt die Wassertemperatur erheblich, was in den BSH Daten kaum sichtbar wird
  • bei Wellengang unterscheiden sich die Messwerte am Rand nur wenig von denen in 1 m Tiefe, was sich durch die Durchmischung des Wassers erklärt.
  • es erscheint dennoch recht schwierig, von solchen Messungen verallgemeinerungsfähige Aussagen abzuleiten
  • definierte Messbedingungen und die Einhaltung dieser sind unabdingbare Voraussetzungen für die Vergleichbarkeit solcher Messwerte
Lage der Messstelle

bpi:bit – Mehr Power im micro:bit Universum

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In meinem Beitrag Mikrocontroller nicht nur für die Schule! (Design & Elektronik 01/2018, MF40-44) hatte ich BBC micro:bit und Calliope mini, beides für die Grundschul-Ausbildung konzipierte Mikrocontroller-Boards, vorgestellt und deren Erweiterungsmöglichkeiten betrachtet.

Befördert durch den Edge-Connector des BBC micro:bit werden mittlerweile zunehmend Peripherieerweiterungen für den BBC micro:bit angeboten, die diesen Controller auch für Maker interessant machen.

Einen Überblick über vorhandene Erweiterungen kann man sich beispielsweise bei Reichelt oder den folgenden Adressen holen:

Durch den im BBC micro:bit eingesetzten Mikrocontroller nRF51822 gerät man aber auch schnell an Grenzen. Will man beispielsweise seinen BBC micro:bit über WiFi vernetzen, dann ist dafür bereits ein Zusatzmodul erforderlich. Auch vom Speicherausbau her sind Grenzen gesetzt, die den Wunsch nach einem Mikrocontroller mit mehr Performance aufkommen lassen.

Mit dem bpi:bit des Banana-Pi Herstellers SinoVoip gibt es einen solchen Mikrocontroller auf Basis eines ESP32. Warum bei heise der bpi:bit als kuriose Kopie abgetan wird, ist für mich nur schwer nachvollziehbar. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Merkmale von bpi:bit und micro:bit im Vergleich.

Wer bislang seinen BBC micro:bit bereits mit MicroPython oder der Arduino IDE programmiert hat, bekommt mit dem bpi:bit eine leistungsstarken Controller incl. WiFi für seine micro:bit Umgebung.

Nutzt man alle WS2812, dann kommt man um eine Fremdspeisung des Moduls nicht umhin, denn der Strombedarf übersteigt das, was ein USB-Anschluss zur Verfügung stellt.

Modulbpi:birmmicro:bit
CPUESP32 nRF51822
RAM520 KB256 KB
ROM448 KBN/A
Flash512 KB16 KB
WiFi 802,11 b/g/n/e/ich N/A
Bluetooth BT4.2 BR/EDR und BLE BLE
Sensoren2 Fototransistoren,
Thermistor,
MPU-2950		LED-Matrix,
On-Chip Temperatursensor,
LSM303GR
SummerSummerN/A
LEDs 25 Neopixel-LEDs (WS2812 ) 25 rote LEDs
GPIOEdge-Connector (Goldfinger)Edge-Connector (Goldfinger)
Tasten2 programmierbare Tasten 2 programmierbare Tasten
USBmicro-USB (UART)micro-USB
Software Webduino, Arduino,
MicroPython, Scratch X 		Microsoft MakeCode, Arduino
MicroPython, Scratch X
Grösse5 x 5 cm5 x 4 cm

Maduino GPRS A6

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Maduino GPRS A6 ist ein kostengünstiger Netzwerkknoten für das IoT. Der Hersteller
Makerfabs mit Sitz in Shenzhen, China hat auf dem Board einen Mikrocontroller ATmega 328, ein GRRS/GSM-Modul AI-Thinker A6, ein und ein integriertes Power-Management integriert.

Maduino GPRS A6

Das GRPS/GSM-Modul A6 unterstützt Quad-Band 850/900/1800/1900 MHz, das jedes GSM-Netzwerk abdeckt. In Verbindung mit einer SIM-Karte können Daten über GPRS übertragen werden. In meinem Post 2G für IoT Anwendungen hatte ich hierzu entsprechende Hinweise gegeben.

Das Modul kann über die Arduino IDE programmiert werden. Im Wiki sind Hinweise zur Inbetriebnahme und Programmierung enthalten. Hinweise zu einem Firmware Update sind hier zu finden.

2G für IoT-Anwendungen

1 Antwort

Bislang schon bereits für tot erklärt und mit Abschaltungsszenarien belegt, stellt das mittlerweile betagte 2G-Netz immer noch eine Alternative zu 3G/4G und 5G dar.

Dass ein schnelles Internet und damit 5G seine Bedeutung haben, ist keineswegs strittig. IoT Anwendungen mit geringem Datenvolumen und mglw. auch geringen Datenraten kommen aber mit deutlich weniger Ressourcen aus.

Vergleicht man die Netzabdeckung der deutschen Telekom, dann bietet auch das 4G-Netz noch Lücken, die das 2G-Netz nicht bietet. Bei den anderen Anbietern sieht das weniger erfreulich aus.

Netzabdeckung 4G Telekom

Kostengünstige GSM-Module sowie preiswerte und flexible IoT-Tarife lassen 2G für IoT-Anwendungen (M2M) durchaus interessant erscheinen.

Ich verwende für einen abgesetzten Temperatursensor einen Arduino Uno und ein SIM800L EVB.

SIM800L EVB am Arduino Uno

Alternativen sind z.B. Maduino GPRS oder das GSM Modul aus der M5Stack-Familie.

Auf die Software selbst möchte ich hier nicht eingehen. Programmbeispiele zum SMS-Versand und HTTP-Zugriff sind auf Github zu finden.

Ich verwende hier den Mobilfunkanbieter ThingsMobile, der sich ausschließlich dem IoT widmet und international aufgestellt ist.

Der SMS-Versand ist einfach und bequem, allerdings kostenmäßig nicht zu empfehlen. Ich sende den Temperaturmesswert über HTTP-GET alle 5 Minuten an den Thingspeak-Server zu Visualisierung. Die erhobenen Messwerte können über die URL abgegriffen werden. Der Sensor selbst liegt auf meinem Arbeitstisch, misst also nur die Raumtemperatur.

Interessant sind die entstehenden Kosten. Aus dem Thingsmobile Report für die vergangene Woche kann man die folgenden Daten entnehmen:

Report für KW15

Der Datenverkehr belief sich auf 2.19 MB, die € 0.22 gekostet haben. Der Auszug aus dem Detailreport gibt einen Überblick über die versendeten Daten. Die Datenpakete sind entweder 980 oder 1950 Byte, was zu 370 KB am Tag führt. Diese 370 KB kosten dann € 0.036.

Auszug aus dem Report für den 15.04.2019

Bei diesen Kosten kann aus meiner Sicht für so oder ähnlich angelegte IoT-Anwendungen bedenkenlos mit dem 2G-Netz gearbeitet werden.