Hardwareentwicklung
Sinuss-Projektbeschreibung
Die ultradünne Verkabelung führt zu Beeinträchtigungen bei den Anschlussmöglichkeiten, wie Datensignalverlust und einer begrenzten maximalen Versorgungsspannung.
Die Sensoren werden über einen 12-V-Aufwärtswandler an die Verkabelung angeschlossen. Mit einem Abwärtswandler am Sensor kann eine Stromquelle von 3,3 V, ca. 80 mA, erzeugt werden. Dies genügt für die Speisung des Sensors und eines Prozessors mit geringem Energieverbrauch.
Die Sensordaten werden von einem Prozessor mit geringem Energieverbrauch (Attiny86l) erfasst. Dieser hat einen Verbrauch von 750 uA bei 3,3 V auf 1 MHz. Der Sensor wird beispielsweise über SPI oder I2C erfasst. Die Daten werden sensorabhängig verarbeitet.
Die Sensoren werden unabhängig an die Datenschnittstelle der Hauptplatine angeschlossen. Diese übernimmt die 12-V-Versorgung. Die Daten werden über Pegelwandler auf 5 V gebracht, um den Signalverlust im Kabel auszugleichen. Die zwei Datendrähte werden wie folgt verwendet:
- der eine Draht als Taktsignal der Hauptplatine (Master);
- der andere Draht als bidirektionaler Datenbus.
Durch Verwendung eines individuellen Grundtakts pro Sensor kann die Signalgeschwindigkeit des Datenbusses variieren. Auf diese Weise können auf der Hauptplatine simultan auch andere Prozesse laufen. Die Hauptplatine startet den Taktgeber mit Startdaten, woraufhin der Slave-Sensor mit einer Sensor-ID und den relevanten Daten antwortet. Dank der Sensor-ID ist die unabhängige Funktionsfähigkeit jedes Sensors an jedem Bus sichergestellt.
Die Basis der Hauptplatine bildet ein ATMEGA2560-Prozessor. Die Hauptplatine erfasst regelmäßig jeden Sensor, verarbeitet die Daten und leitet sie als Paket über eine drahtlose Verbindung (433 MHz, 100mW) weiter. Da diese Datenhardware eine spezifische Fertigung ist, können die Daten von Dritten nicht verwendet werden. Trotzdem wird eine Verschlüsselung mithilfe eines Schlüssels vorgenommen. Die Daten werden von einem Empfänger mit einer Nenn-Reichweite von 1-1,5 km im offenen Feld empfangen. Auf der Empfängerplatine werden sie verarbeitet und über eine GPRS-SSL-Verbindung mit JSON-Protokoll an einen Server weitergeleitet. Dieser Versand kann im Abstand von ca. 10 Sekunden stattfinden. Die Pakete werden mit einem Zeitstempel mit einer Auflösung von 1 Sekunde versehen. Das heißt, dass ein Paket eines Sensors mehrere Messungen enthalten kann.
Die tragbare Haupteinheit wird über eine LiPo-Batterie versorgt. Wenn die Platine an 9-50 Vdc Gleichspannung angeschlossen wird, wird sie vollautomatisch geladen. Der Batteriestatus wird ebenfalls an die Empfängerplatine weitergeleitet. Die Hauptplatine ist mit einem GPS-/GNNS-Empfänger ausgestattet. Auch diese Daten werden periodisch weitergeleitet. Zu verwendende Sensoren:
- Luftqualitätssensor
- Außentemperatursensor
- GPS
- Körpertemperatursensor (muss noch näher untersucht werden)
- Stresssensor (muss noch näher untersucht werden)
- Herzschlagsensor (verworfen; dieser ist nicht tragbar)
- Alternative: Bewegungssensor?