PoC eines intelligenten HLK-Systems

Überwindet Hindernisse für eine stabile Datenübertragung

  • Sub-1GHz
  • IEEE802.15.4
  • Contiki
  • MiWi™
  • C
Lösung Hardware-Plattform für die Kommunikation zwischen verbundenen Geräten
Branche Software and Technology
Kooperationsmodell T&M (Time and Materials)
Methode Scrum
Team
  • Firmware-Entwickler
  • Hardware-Entwickler
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Kunde

Case-Highlights

Stabile Datenübertragung durch dicke Wände, Fenster und Böden

  • stabile Datenübertragung über 300 m
  • lange Batterielebensdauer — 180 Tage bei Signalübertragung alle 10 Sekunden
  • basiert auf Sub-1-GHz-Transceivern
  • kundenspezifisches Kommunikationsprotokoll
  • einfacher Batteriewechsel

 

Problem

Der Kunde will eine IoT-Lösung entwickeln, die die Abnutzung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) einschätzt und Ausfälle erkennt.

Das System soll Daten von einem Netzwerk von Innen- und Außensensoren (Vakuum, Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Wasserleckage, Spannung, Kohlenmonoxid und Strom) erfassen, sie zur Analyse an die Cloud übertragen und die Ergebnisse über eine Webschnittstelle anzeigen.

Kundenanforderungen

1. Systemkomponenten sollen trotz physischer Hindernisse (Beton- und Ziegelsteinstrukturen, Höhenunterschiede, Fenster) Daten austauschen können

2. Einfache Installation für Kunden zu Hause oder im Büro

3. Mindestreichweite von 70 m zwischen Sendern und Empfängern

4. das Kommunikationsprotokoll soll die maximale Akkulaufzeit der Sensoren verlängern

Um unsere Lösung zu verifizieren, beginnen wir das Projekt mit einem Proof of Concept. Wir entwickeln ein spezielles Gerät zur Erfassung von HKL-Sensordaten (Thermostat, Klimaanlage, Belüftung).

Lösung

Hardware-Plattform

Softeq implementiert eine Hardware-Plattform für die Kommunikation zwischen verbundenen Geräten.

Das System basiert auf Sub-1-GHz-Transceivern mit Embedded-MCUs. Sie verwenden den IEEE 802.15.4-Standard der Konnektivität, um Daten über große Entfernungen zu übertragen. Neben der Standard-Antennenverbindung setzen wir Antenna Diversity ein — ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit von drahtlosen Netzwerken in städtischen Umgebungen.

Mit unserem Design beträgt die Batterielebensdauer der angeschlossenen Geräte bis zu 180 Tage, wenn das Signal alle 10 Sekunden gesendet wird. Die Geräte werden mit herkömmlichen 1000-mA-Batterien betrieben. Diese sind leicht zu beschaffen und können von Anwendern ohne die Hilfe eines Technikers ausgetauscht werden.

Hardware-Marktforschung und Kostenschätzung für Geräte

Wir analysieren den Hardware-Markt, verhandeln mit den Hardware-Herstellern und finden die kostengünstigste Variante der Implementierung.

Wir prüfen die verschiedenen derzeit auf dem Markt erhätlichen Transceiver-Module, darunter NXP, Texas Instruments und Microchip. Um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen des Kunden erfüllen, entwickeln wir individuelle Firmware und Testfälle für jedes Modul. Trotz Unterschieden in den Parametern der HF-Verstärker wie Empfindlichkeit und Verstärkungsfaktor zeigen die Tests nur unbedeutende Differenzen in der Reichweite und Leistungsaufnahme. Deswegen orientieren wir uns bei der Hardware-Auswahl am Preis und technischen Support.

Nach Verhandlungen mit in Frage kommenden Hardware-Herstellern und ihren Händlern berechnen wir die Kosten der Geräte. Nach unseren Schätzungen wird die Verwendung des Moduls von Texas Instruments zu den niedrigsten Gesamtkosten der Lösung führen. Das Modul ist zudem einfacher zu programmieren und bietet standardisierte Kommunikationsmethoden.

Kommunikationsprotokoll

Das Team entwickelt ein maßgeschneidertes Kommunikationsprotokoll für mehr Flexibilität und Kosteneffizienz.

Wir entwickeln ein maßgeschneidertes Low-Level-Protokoll zur Datenübertragung über große Entfernungen auf Basis von IEEE 802.15.4. Dieses Protokoll bietet Flexibilität bei der Installation: der Datenfluss und die Übertragungsgeschwindigkeit können an die Umgebung angepasst werden, wo das System installiert ist.

Zusätzlich ermöglicht das Protokoll dem Kunden bei der Markteinführung seiner Geräte Kosten zu sparen, die normalerweise bei der Verwendung von Standardprotokollen entstehen. Dazu gehören Beiträge für die Allianz-Mitgliedschaft, Markenlizenzkosten und mehr.

Connectivity

Option 1: P2P-Verbindung

Bei der direkten Verbindung der Sendegeräte mit dem Empfänger erreichen wir eine Übertragungsreichweite von mindestens 300 m. Diese Methode ermöglicht eine stabilere Verbindung und führt zu niedrigeren Endkosten.

Option 2: Mesh-Netzwerk

Wir erstellen ein selbstorganisierendes Mesh-Netzwerk von Transmittern basierend auf 6LoWPAN, einem Low-Energy-Protokoll. Mit dieser Methode erreichen wir eine Übertragungsreichweite von mindestens 1.5 km.

Ergebnisse

Die kostengünstigste Lösung

P2P-Verbindung von Geräten mit Texas HF-Modulen basierend auf dem angepassten IEEE 802.15.4-Protokoll.

Die vorgeschlagene Lösung ist sowohl kostengünstig als auch zuverlässig. Die Daten werden unabhängig von Betonwänden, Fenstern und Türen in einer Entfernung von mindestens 300 m übertragen.

Wenn der Kunde in Zukunft seine Anforderungen an die minimale Datenübertragungsreichweite ändern möchte, stellen wir eine alternative Lösung bereit: Mesh-Netzwerke, die noch größere Reichweiten abdecken.

Sollte der Kunde sich für die weitere Entwicklung des IoT-Systems entscheiden, haben wir qualifizierte Entwickler für die Implementierung.