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Vernetzte Geräte analysieren Wie Messtechnik dabei hilft, IoT-Geräte zu entwickeln

Autor / Redakteur: Boris Adlung * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Leistungsaufnahme, Bus- und HF-Analyse: Entwickler von Komponenten für das IoT müssen beim Test einiges berücksichtigen. Hier helfen Stromversorgung und Oszilloskop, damit die IoT-Geräte funktionieren.

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IoT-Geräte entwickeln: Das Standard-Werkzeug für die Entwickler vernetzter Geräte ist das Oszilloskop. Vor allem Busse lassen sich mit dem Messgerät analysieren.
IoT-Geräte entwickeln: Das Standard-Werkzeug für die Entwickler vernetzter Geräte ist das Oszilloskop. Vor allem Busse lassen sich mit dem Messgerät analysieren.
(Bild: Rigol)

Das Internet der Dinge, kurz IoT, kommt nicht nur in der Industrie zum Einsatz, sondern hat letztlich auch Einfluss auf unser tägliches Leben. Dabei müssen die vernetzten und untereinander kommunizierenden Geräte des IoT im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Leistung, Qualität und langfristige Verfügbarkeit getestet werden. Drahtlose Standards wie Bluetooth, WLAN/Wi-Fi, ZigBee sowie eine geringe Leistungsaufnahme sind zusammen genommen ein kritischer Erfolgsfaktor für das IoT.

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Ein Messgeräte-Anbieter wie Rigol hilft dem Anwender dabei, wenn es um Testaufbauten oder Testanforderungen für die kommunizierenden Geräte im IoT geht. Mit Hilfe messtechnischer Werkzeuge sollen sich die vernetzten Systeme schneller auf den Markt bringen lassen. Typische Systeme und Anwendungen für das IoT sind:

  • Smart Home und Smart Building: Die Vernetzung aller Einrichtungen in Häusern in Verbindung mit Haushaltstechnik, Energiemanagement, Unterhaltung, Sicherheit und Einzelhandel sowie verbesserte Energie- und Kosteneffizienz für eine angenehme Lebens- und Arbeitsumgebung,
  • Smart Wearables: Neue Möglichkeiten, wie Objekte miteinander kommunizieren, damit sich nahtlos in Mode- und Sensortechniken integrieren lassen. Der Fokus liegt auf eine geringe Leistungsaufnahme, Bauform und flexible Materialien,
  • Connected Car: Mobile Kommunikation in Autos, LKWs und Drohnen mit Schwerpunkt Flottenmanagement, Teileverfolgung, nutzungsbasierter Versicherung, Diebstahlschutz und Fahrzeugwartungsservices bis hin zum autonomen Fahren,
  • Health Care: Medizinische Geräte, Überwachungstechniken sowie klinische Biosensoren verändern die Gesundheitsbranche. Die Ursache von Krankheiten soll sich besser verstehen lassen, um gezielt behandeln zu können,
  • Industry Automation: Eine industrielle Revolution, indem sie Produktivität und Effizienz steigern. Die Herstellung wird intelligenter, flexibler und dynamischer und
  • Smart Energy: Neue Werkzeuge überwachen und messen die Energieaufnahme, damit sich dieser optimieren lässt.

Für Entwickler der drahtlosen und drahtgebunden Komponenten kommen unterschiedliche Aufgaben hinzu. Messgerätehersteller wie Rigol bieten Geräte, mit denen sich IoT-Komponenten entwickeln und testen lassen. Ein Schwerpunkt bei der IoT-Entwicklung ist, den Leistungsverbrauch zu überblicken.

Als Beispiel dient eine batteriebetriebene IoT-Komponente, die mit Sensoren und Aktoren ausgerüstet ist und erfasste Daten beispielsweise per Bluetooth überträgt. Die IoT-Komponente soll nur dann Aktiv agieren, wenn es notwendig ist und sonst im Schlafmodus sein. Solche Komponenten werden immer kleiner und leichter. Deshalb ist neben dem Leistungsverbrauch auch die mechanische Integration der Einzelbauteile sehr anspruchsvoll.

Hierbei hilft es, die Signalintegrität der Bussysteme zu überprüfen. Zu guter Letzt ist die hochfrequente Übertragung über Bluetooth ein Schwerpunkt der Messanforderung.

Den Energiebedarf von IoT-Geräten überwachen

Während des Schlafmodus soll idealerweise fast keine Leistung verbraucht werden. Sobald die IoT-Komponente aufwacht, muss sie hochgefahren werden, was die meiste Energie erfordert. Der Leistungsverbrauch soll auch im regulären Betrieb bei der Kommunikation der Sensoren zum Board über SPI oder bei der Übertragung der Daten via Bluetooth ein Niveau erreichen, bei dem eine zuverlässige Funktion über eine definierte Zeit gewährleistet ist.

Während der Testphase kann ein IoT-Gerät mit dem Stromversorgungsgerät DP832A, welche drei Ausgänge mit einer maximalen Leistung von 195 W bietet, versorgt werden. Der Energiebedarf lässt sich mit dem Multimeter DM3068 überwachen. Kommunizieren die Sensoren über den SPI-Bus, dann kommt es zu Stromspitzen.

Schnell ändernde Stromspitzen werden vom Multimeter nicht erfasst. Es ist sinnvoll, den Strom zusätzlich mit einem Oszilloskop des Typs DS4054 und einer Stromzange RP1002C zu messen. Zwar bringt die Stromzange etwas Rauschen auf das Signal, beeinflusst aber nicht den Stromkreis.

Das Oszilloskop stellt die Stromspitzen dar. Eine weitere wichtige Analyse ist der Energieverbrauch während des aufweckens oder hochfahrens. Die Stromkurve lässt sich mit dem Oszilloskop darstellen. Über den zweiten Kanal lässt sich die Spannung messen.

Dank der integrierten Berechnungsmethode kann die Leistung über die Zeit dargestellt werden. Ein weiterer Test ist der Energiebedarf bei unterschiedlichem Leistungspegel bei der Bluetooth Übertragung. Der Stromverbrauch kann zum Beispiel bei dem maximalen und minimalen Leistungspegel analysiert werden.

Die Analyse des Bussystems der IoT-Komponente

Die Analyse des Bussystems der IoT-Komponente ist ebenfalls notwendig: Bei immer kleiner werdenden Bauteilen ist eine mechanische Integration notwendig, um die Signalqualität nachzumessen. Der DS-MSO4054 triggert und decodiert das SPI-Signal. Kommunizieren zwei IoT-Platinen, müssen diese zudem debuggt werden.

Dazu muss nicht nur das decodierte Signal analysiert werden, sondern auch das Rauschverhalten sowie die Latenzzeit. Durch die Einstellung High Resolution und Bandbreitenlimitierung im Oszilloskop lässt sich der Rauscheinfluss minimieren. Für eine verbesserte Darstellung lässt sich ein verrauschtes Signal auch mit den digitalen Kanälen eines MSO vermessen.

Zeitgleich lassen sich zwei SPI-Signale darstellen und decodieren. Das Signal kann mit der Rekordfunktion über mehrere Frames aufgezeichnet und mit einer Maske versehen werden. Somit lassen sich abweichende Signale über einen längeren Zeitraum auf Signaleinbrüche oder andere Abweichungen analysieren.

Vernetzte IoT-Geräte übertragen ihre Daten auch über Bluetooth. Das erfordert, auch die hochfrequenten Signale zu analysieren. Mit dem Spektrum-Analysator DSA832(E) lassen sich die Signale im Frequenzbereich erfassen und der Maximalwert messen. Über die zweite Abtastspur lässt sich zudem der Realwert mit veränderlicher Kurve messen.

Durch das gespreizte Spektrum bei Bluetooth ist sichtbar, dass sich die Frequenz des Trägers kontinuierlich ändert. Die Mittfrequenz kann auf einen der Frequenzen gestellt werden, um den „Null Span“ zu ermitteln. Mit dem Messgerät ist es möglich, das erfasste Signal in einer *.CSV-Datei abzuspeichern.

* Boris Adlung ist Applikations-Ingenieur bei Rigol in München.

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