Den Elementen trotzen

Um­welt­da­ten werden häufig an abge­lege­nen Stand­orten er­fasst, sodass Über­wachungs­systeme dauer­haft den Ele­men­ten aus­ge­setzt sind. Dement­sprechend könnte das Daten­auf­zeichnugs­system den ho­hen Tem­pera­turen und Stäu­ben der Wüs­ten, der Hitze und Feuchtig­keit von Regen­wäl­dern und den fros­ti­gen Tem­pe­ra­tu­ren, Win­den und dem Eis­regen von Berg­gipfeln aus­ge­setzt sein und muss die­sen Umwelt­ein­flüs­sen wider­stehen kön­nen. 

Ein Unter­neh­men an der Spitze der Um­welt­über­wachungs­aus­rüs­tung ist Van Walt Limited mit Sitz in Surrey, Groß­bri­tan­nien. Es lie­fert eine Viel­zahl von Tech­nolo­gien für den Ein­satz in der Umwelt- und Grund­wasser­über­wachung, und ei­nes sei­ner führen­den Pro­duk­te ist der vanwaltDataHub, ein solar­be­trie­be­ner Daten­logger und Hub für eine Viel­zahl von Sen­sor­typen. 

An­passung an ver­schie­de­ne An­forde­run­gen

Vincent van Walt, Di­rek­tor von Van Walt Limited, sagte: "Wir ha­ben den vanwaltDataHub ent­wi­ckelt, um auf die wach­sen­den Be­dürf­nis­se un­se­rer Kun­den nach ei­nem Daten­er­fassungs­sys­tem zu rea­gie­ren, das sen­sor­unab­hän­gig ist und je nach Stand­ort und Ver­füg­bar­keit eines GSM-Sig­nals über ver­schie­de­ne Platt­for­men kom­mu­ni­zie­ren kann. Wir wollten ein fle­xi­bles, zu­gäng­liches und vor allem zu­ver­läs­siges Sys­tem." Das Ge­rät sitzt in ei­nem ro­bus­ten Ge­häuse nach IP-Schutz­art und or­ga­ni­siert gesam­melte Daten für die Ver­tei­lung oder ge­mein­same Nutzung über Hoch­fre­quenz-, GPRS- oder Sa­tel­li­ten­por­tale. Nach Ab­schluss ei­nes kürz­lich durch­ge­führ­ten Ak­tu­a­li­sie­rungs­pro­gramms kann dataHub auch Daten auf ein Wechsel­speicher­gerät ko­pieren. Dies ist eine wich­tige neue Funk­tion, da manch­mal eine draht­lose Daten­über­tra­gung un­mög­lich ist. Außer­dem er­for­dert die draht­lose Konnek­tivi­tät zu­sätz­liche Leis­tung, die auf ei­nem bat­te­rie- und solar­be­trie­be­nen Sys­tem in­tel­li­gent ge­regelt wer­den muss. Zur Um­setzung die­ses Up­grade wandte sich Van Walt an das Elektronik­design-Unter­nehmen GBE. Das Unter­nehmen ist be­kannt für sei­ne Kom­pe­tenz im De­sign von ein­ge­bet­te­ten Sys­temen, Elek­tronik­fer­tigungs­dienst­leis­tun­gen und Pro­jekt­mana­ge­ment in vielen Bran­chen wie Auto­mobil-, Medi­zin- und Indus­trie­ele­ktro­nik.

Mark Bullen, Mana­ging Di­rec­tor von GBE, kom­men­tier­te: "DataHubs wer­den oft in sehr ab­ge­lege­nen Um­ge­bun­gen ein­ge­setzt, daher hat die Zuver­lässig­keit der Ge­räte eine ho­he Prio­ri­tät. Ins­be­son­dere war wichtig, dass die Ein­füh­rung der Funk­tion für Wechsel­speicher­geräte diese Zu­ver­lässig­keit nicht be­ein­träch­tigen wür­de." Es wur­de früh­zeitig be­schlos­sen, dass auf die Da­ten auch von außen zuge­grif­fen wer­den soll­te, ohne das Ge­rät dafür öffnen zu müs­sen, und so­mit auch ei­ne gut zugäng­liche Schnitt­stelle an der Gehäuse­wand des neuen DataHub erforder­lich wer­den wür­de.

Die Ver­wen­dung eines Stan­dard-USB-An­schlus­ses, um ein handels­übliches USB-Lauf­werk an­schließen zu kön­nen, war aus­ge­schlos­sen. In der Regel sind weder die Lauf­werke noch An­schluss­buchsen in ro­bus­ter, in­dus­t­rie­taug­licher Aus­führung erhält­lich und bie­ten auch nicht die aus­rei­chende Sicher­heit, weil der USB-Form­faktor zu weit ver­brei­tet ist. Jedoch aus Sicht der System­ent­wickler eig­nete sich das USB-Pro­to­koll und wur­de als sicher genug er­ach­tet.

Zuverlässige Verbindungen

GBE wandte sich für seine Datakey-Pro­dukt­pa­let­te an Nexus In­dus­trial Me­mory, den von ATEK be­nannten Distri­butor in Groß­br­itan­nien, Ir­land, Deutsch­land, der Schweiz, Öster­reich und Skan­di­na­vien. Matthew Wilson, Tech­ni­scher Direk­tor von GBE, er­inner­te sich: "Ich habe Nexus auf einer Messe getroffen und zum ersten Mal die in­dus­trie­taug­lichen Datakey-Spei­cher und Anschluss­systeme gesehen. Sowohl die Produkte als auch das Unter­nehmen blieben mir im Ge­dächt­nis, so dass ich bei der Planung der Funk­tionen für den neuen vanwaltDataHub gleich wusste, dass die extrem robus­ten Daten­träger im her­steller­spezi­fischen Form­faktor und die maßgeschnei­derten wetter- und mani­pulations­sicheren Anschluss­buchsen zur Umsetzung des Projekts benötigt werden."

Basierend auf den Anfor­derungen von GBE empfahl Nexus den Datakey RUGGEDrive™ UFX-Token und die UR4410IM-Buchse mit IP67-Rating. Das Token bzw. der Daten­träger bietet USB (NAND) Flash-Lauf­werk Funktio­nalität über eine USB 2.0 Hi-Speed-Schnitt­stelle und ist von einer soliden mit Kunst­stoff umspritzen Konstruk­tion, so dass er bruch­sicher und flüssig­keitsab­weisend ist. Die UR4410IM-Buchse, verfügt es über einen Stan­dard 5-Pin-Mother­board-Header-Anschluss und einen Dichtung­sring, um opti­malen Schutz vor dem Eindringen von Wasser zu bieten. Die 2-teilige Konstruk­tion der Anschluss­buchse, bestehend aus einem praxis­erprobten Rahmen-/Kontakt­system auf der Innen­seite und einer robusten Außen­hülle, bietet Schutz vor widrigen Umwelt­einflüssen. Wie bei allen Datakey-Buchsen verfügt die UR4410IM über korrosions­beständige, gold­beschichtete Punkt­kontakte und einen Detent-Mecha­nismus, der beim Einstecken des Speicher-Token eine taktile Bestäti­gung bietet. Obwohl bei diesem Projekt eine hohe Anzahl der Wieder­einsteck­zyklen für GBE keine Prio­rität hatte, sind die RUGGEDrive™ UFX und UR4410IM für mindestens 10.000 Ein­steck­zyklen ausgelegt. Der Vergleich mit handels­üblichen USB-Geräten, die für 1.500 Einsteck­zyklen ausgelegt sind, lässt entsprechende Rück­schlüsse auf die Robust­heit der Datakey-Pro­dukte zu. Der UR4410IM ist an der Seite des DataHub-Gehäuses montiert und, obwohl sie nach Schutzart IP67 zerti­fiziert ist, befindet sich die Öffnung der Buchse unter einer Gummi-Platte, die zusätz­lichen Schutz bietet.

Innovative Lösung

Die Häufig­keit, mit der Daten aus den Einheiten vom Datakey-Gerät abge­rufen werden können, hängt von der Bereit­stellung, Umgebung, dem Sensor und den Daten­typen ab. Wilson erklärte weiter, dass der neue vanwaltDataHub so konzipiert wurde, dass das Einstecken eines Datakey-Tokens das System aus dem Ruhe­modus weckt. "Wir haben diesen Teil unseres Designs auf die USB-Spezi­fikations­anforderung gestützt, dass ein Gerät seine Anwesen­heit und Geschwindig­keit mit einem Pull-up-Wider­stand auf der USB-D+-Daten­leitung anzeigen muss. Wir verwenden einen Low-Power-Mikro­controller, der auf das Einstecken wartet, und weil dies seine einzige Funk­tion ist, mussten wir keinen voll­ständigen USB-Stack implemen­tieren."

Wenn der Mikro­controller den USB Datakey Pull-up erkennt, startet er das Computer­modul und gibt die Steue­rung der USB-D+-Leitung an das Com­puter­modul (das den vollen USB-Stack hat) ab. Nach dem Booten identi­fiziert das Computer­modul den RUGGEDrive™, genau wie ein PC, der erkennt, dass ein neues Gerät an den USB-Port ange­schlossen wurde. Sobald das Gerät authenti­fiziert ist – d.h. die erwarteten Hersteller- und Produkt-IDs vorhanden sind – überträgt das Computer­modul auto­matisch Daten. Wilson: "Die Daten liegen als gezippte CSV-Dateien vor, d.h. sie werden in kurzer Zeit über­tragen und wir benötigen nur auch nur maximal 4 Gigabyte Speicher­kapazität, was dem kleinsten Daten­träger der UFX-Serie entspricht."

Wilson erklärte weiter, dass auch Konfigu­rations­dateien auto­matisch über­tragen werden können. "Damit haben wir eine zuver­lässige Methode, einen Datahub im Feld ohne zusätz­liche Ausrüs­tung neu zu konfi­gurieren. Kon­figura­tions­daten können ein Alarm­limit für einen Kanal enthalten, oder Sie möchten, dass eine Aktion ausgeführt wird. DataHubs können beispiel­sweise auch in Gewächs­häusern verwendet werden. Wenn es dort zu heiß wird, können sie dann die Elek­tronik zum Öffnen von Fenstern steuern."

Ist die Daten­über­tragung abge­schlossen, signali­siert das Computer­modul dem Mikro­controller und der DataHub meldet dem Benutzer durch ein Ton­signal, dass das Token bzw. der Daten­träger entfernt werden kann. Das System wechselt dann wieder in seinen Low-Power-Daten­protokollierungs­modus.

Zusammen­fassung

Die erste vanwaltDataHub mit der Option, Daten von und zu einem RUGGEDrive-Token zu über­tragen, wurde im Jahr 2017 zur Verfü­gung gestellt. Seitdem sind viele weitere gefolgt, und zum jetzigen Zeit­punkt werden welt­weit mehrere hundert für Umwelt­überwachungs­anwen­dungen einge­setzt. Die Ingenieure von GBE haben bei der Ent­wicklung des neuen DataHub eine robuste, zuver­lässige und viel­seitige Platt­form geschaffen, die jeder­zeit das Hinzu­fügen neuer Funk­tionen (weit­gehend durch die Imple­mentierung von Software-Up­grades) erlaubt. Die System­updates können die Ein­stellung von Alarmen und/oder Aktionen auf der Grund­lage des Daten­empfangs auf mehreren Kanälen umfassen; einzeln oder kollektiv.

Bullen sagte: "Nexus lieferte bei diesem Projekt mehr als nur die Hard­ware. Sie haben reichlich Erfahrung mit dem USB-Pro­tokoll und haben uns bei der Imple­mentierung des Host-to-Drive-Kom­munika­tion tatkräftig geholfen. Obwohl USB ein Standard ist, kann es manch­mal kompli­ziert werden. In dieser Hin­sicht hat Nexus viel zum Erfolg des gesamten Projekts beige­tragen. Jeder kann Hardware­komponen­ten liefern, aber es ist die Exper­tise, die Nexus um diese Pro­dukte herum bereit­stellt, welche der Beziehung einen echten Mehr­wert verleiht."

Zuletzt haben GBE und Van Walt an der Produktion des Van Walt USB-Data-Compilers mitge­wirkt. Dies ist eine maß­geschnei­derte Soft­ware, die die herunter­geladenen Daten aus dem Speicher-Token und die Verkettung der Zeichen­folgen sinn­voll verar­beitet, so dass die Daten­präsen­tation für Kunden flüssiger und leichter lesbar wird. Bullen abschließend: "Die Unter­stützung durch Nexus war während des gesamten Prozesses vorbil­dlich und wir sehen sie eher als Partner denn als Lieferant."