Vor allem in der Industrie wird die RS-232-Schnittstelle aufgrund ihrer einfachen Anwendbarkeit noch für längere Zeit in Verwendung bleiben – zum Beispiel in der Laborautomation, der Maschinensteuerung und -programmierung sowie in vielen EDV-Anwendungen wie der Verwaltung von Servern oder Switches über serielle Konsolen. Daneben ist sie noch in vielen klassischen Anwendungen zu finden wie beispielsweise Kassenterminals und etlichen Messgeräten – teilweise auch an geografisch weit auseinanderliegender Infrastruktur wie beispielsweise Autobahnabschnitten, Brücken oder Flugplätzen.
Oder eben in den Streufahrzeugen einer Autobahnmeisterei, bei denen das Streugerät – hinten am Fahrzeug – über RS-232 an seine Steuereinheit im Führerhaus angebunden ist. Über diese Datenverbindung lassen sich Konfigurations- Überwachungsfunktionen am Streugerät realisieren. Aufgrund der anspruchsvollen Umweltbedingungen kam es jedoch vermehrt zu Schäden durch Kabelbrüche und Korrosion. Der Wartungsaufwand ging mit den Jahren konstant nach oben. Zur Lösung dieses Problems griffen die Ingenieure der ETO-Gruppe eine Erfindung der Softwareschmiede Netwake auf, um auf dieser Basis eine wartungsfreie Lösung mit funkbasierter Datenübertragung über Bluetooth Low Energy zu entwickeln. Dafür wurde speziell für den Anwendungsfall im Streufahrzeug eine schlüsselfertige Dongle-Paar-Lösung zur Nachrüstung konzipiert, die in dieser Form auch in vielen anderen Anwendungsfeldern einsetzbar ist.
Die Nachrüstlösung basiert auf dem inzwischen patentierten Prinzip des Signal Harvestings – und kommt folglich ohne eigene Stromversorgung oder Batterie aus. Für die Umsetzung und Industrialisierung des Projekts wurden die Bluetooth-Spezialisten der Systemtechnik Leber GmbH an Bord geholt.
Energy Harvesting zur Stromversorgung
Energy Harvesting bedeutet, dass für Geräte mit entsprechend kleinem Energiebedarf – im Falle von ETO autarke Sensoren – geringe Mengen elektrischer Energie aus Bewegung, elektromagnetischen Wellen oder auch Temperaturunterschieden gezogen werden. Beim Signal Energy Harvesting wird die benötigte Energie direkt aus den ohnehin vorhandenen Signalpegeln der Kommunikations-Schnittstelle gezogen. Mit dieser innovativen Technologie werden sowohl Datenkabel als auch eine externe Stromversorgung oder Batterie für das Bluetooth-Modul überflüssig und entsprechende Rohstoffressourcen geschont.
Dadurch wird bei der ETO-Lösung eine kabelgebundene Stromversorgung obsolet. Gerade bei größeren Infrastrukturen mit Kabellängen von mehreren hundert Metern, wo es durch Baustellen oder auch harte Wetterbedingungen immer wieder zu Kabelschäden kommt, ist die Bluetooth-Lösung deutlich wirtschaftlicher. Die Vorteile liegen auf der Hand: weniger Wartungsaufwand, weniger Störanfälligkeit und weniger Energieverbrauch. Vor allem räumlich weit entfernte bzw. stand-alone arbeitende Sensoren (wie im vorliegenden Anwendungsfall die in den verschiedenen Streufahrzeugen) profitieren von dieser Technologie. Grundidee des neuen ETO RS-232 BLE Harvesters war ein Plug-and-Play-Dongle zur sicher verschlüsselten Bluetooth-Datenübertragung. Auf diese Weise lassen sich Bestandsgeräte einfach nachrüsten und zukunftsfit machen.
Elektronik- und Softwareentwicklung
In den Dongle sollte zur Sicherstellung maximaler Rechenleistung ein vollkommen neues Chipmodell mit Dual Core integriert werden. Dabei lag die Herausforderung darin, dass das Modul vom Chiphersteller erst kürzlich eingeführt worden war und seine Funktionen bzw. die Firmware erst bewertet werden mussten – unter anderem auch im Hinblick auf deren Einfluss auf die integrierte Software.
Für die Softwareentwicklung hatte das ETO-Team im Rahmen der Anforderungsdefinition eine High-Level-Software-Architektur, den Aufbau eines automatisierten Buildsystems und die Erstellung detaillierter Dokumentation vorgegeben, mit der ETO nach Übergabe der Software diese künftig selbst weiterpflegen und den Code erweitern kann. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn neue Funktionen hinzugefügt werden sollen. Die Leber-Ingenieure entwickelten die Software entsprechend der Vorgaben und testeten diese in einer von ETO bereitgestellten Umgebung. Im Rahmen der Übergabe wurde die Lösung dann vom ETO-IT-Team eingehend geprüft und freigegeben. Eine kleine Herausforderung stellte die Tatsache dar, dass Secure Boot eingesetzt werden sollte, das Gerät also nur von ETO signierte Software ausführen darf. Dazu wurde von ETO ein cloudbasiertes Hardware Security Modul (HSM) zur Verfügung gestellt, dass es den Entwicklern ermöglichte, Programmdateien mit eigenen Test-Signaturen zu schützen. (ge)
Technologie des Energy Harvestings
Projektphasen und Arbeitsteilung
Erste Prototypen wurden vom ETO-Entwicklerteam im Alleingang aufgebaut, um die Realisierbarkeit der Idee nachzuweisen. Sie wurden in den Streufahrzeugen der Autobahnmeisterei getestet – mit positivem Ergebnis. Aus Kapazitätsgründen, aber auch wegen ihrer Bluetooth-Expertise wurden die Ingenieure von Systemtechnik Leber ins Projekt geholt. Sie übernahmen die Prüfung des Konzepts, die nachfolgende Hard- und Softwareentwicklung, den Entwurf des Gehäuses sowie die abschließende EMV-Prüfung. Das Projekt wurde von beiden Partnern in sechs Phasen durchgeführt. Begonnen wurde mit mehreren Workshops, um die Anforderungen zu definieren. Gestartet wurde im Juni 2021. Aufgabe war es auch, die Lösung um einen neuen Dual-Core-Controller zu ergänzen.
Der Startschuss für die Entwicklung fiel im September 2021. Dabei erfolgte im Bereich Hardware die Schaltplan- und Layouterstellung, in deren Rahmen für das Mechanik-Design mit OXXID ein weiterer externer Partner an Bord geholt wurde. Seine Aussteuerung erfolgte über die Leber-Ingenieure, die ihn bezüglich Bauraum und Platinenkontur kontinuierlich auf dem Laufenden hielten. Danach erfolgte die Inbetriebnahme der ersten Prototypenplatinen. Da die Dongle-Lösung u.a. der europäischen EMV-Richtline sowie der Richtlinie 1999/5/EG entsprechen musste, wurde der Prototyp in einem externen Labor für EMV- und Funk-Prüfungen auf seine elektromagnetische Verträglichkeit geprüft. Im Rahmen der Inbetriebnahme und der Tests wurden kleinere Auffälligkeiten am Hardwaredesign erkannt, die dann in aktualisierten Designdaten behoben wurden. Schließlich wurde das 3-D-Druck-Gehäuse durch eines aus Spritzguss ersetzt.
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