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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Internet-of-Things (loT)-Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer loT-Vorrichtung sowie ein loT-System, das die loT-Vorrichtung und eine Cloud umfasst.
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Das Internet-of-Things schafft eine Schnittstelle zwischen der realen und virtuellen Welt. Durch die Vernetzung von Maschinen, Fahrzeugen oder Geräten können Daten, die mit Sensoren erfasst werden, aus der realen Welt virtuell zur Verfügung gestellt und ausgetauscht werden. In den letzten Jahren fand das loT neben der Industrie, wie zum Beispiel in produzierenden Unternehmen, Transportunternehmen oder der Automobilindustrie, auch im Verbraucherbereich, wie zum Beispiel in Smart-Home-Systemen, erfolgreich Anwendung.
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In Bereichen der Umweltüberwachung, wie zum Beispiel Brandüberwachung oder Tierüberwachung in der Forstwirtschaft, werden loT-Vorrichtungen derzeit jedoch kaum eingesetzt. Das Sammeln von Daten erfolgt hier meist in entlegenen Gebieten. Eine entsprechende Infrastruktur, wie elektrische Stromversorgung oder auch eine Mobilfunkanbindung, ist normalerweise nicht vorhanden und die Geräte müssen mit einer eigenen Stromversorgung ausgestattet sein. Zudem sollten die Geräte des loT-Systems wartungsarm und benutzerfreundlich sein, so dass eine Installation am Betriebsort auch ohne Hinzuziehen eines Fachmanns möglich ist. Die Konfiguration des loT-Systems sollte daher auch dezentral möglich sein und keine starre Struktur aufweisen.
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Bekannte Lösungen für loT-Systeme existieren derzeit ohne internetgestützte Automatisierung, wie Überwachung, Wartung und Steuerung von Prozessen und Hardware, und Programmierung, und fast alle Lösungen funktionieren durch ein Steuersystem vor Ort. Andere bekannte Geräte, die internetfähig sind, weisen jedoch eine starre Struktur auf.
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Es war daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte und anwenderfreundlichere loT-Vorrichtung besonders für die Anwendung in entlegenen Gegenden vorzuschlagen.
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Nach einem ersten Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung eine Internet-of-Things (loT)-Vorrichtung vor, die ein Hauptmodul umfasst, das zur Kommunikation mit einem Server, insbesondere einem Cloud-Server, und zumindest einem Erweiterungsmodul der loT-Vorrichtung ausgebildet ist, wobei das Hauptmodul eine Verbindungsschnittstelle aufweist, die zur Kommunikation mit dem zumindest einen Erweiterungsmodul ausgebildet ist.
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Weiter umfasst die loT-Vorrichtung zumindest ein Erweiterungsmodul zur Interaktion mit der Umgebung der loT-Vorrichtung, insbesondere mithilfe von Sensoren, Aktuatoren und/oder Kameras, wobei jedes Erweiterungsmodul zwei Verbindungsschnittstellen aufweist, wobei die Verbindungsschnittstellen kompatibel, insbesondere identisch, sind zu der Verbindungsschnittstelle des Hauptmoduls. Zudem umfasst die loT-Vorrichtung eine Verbindungskomponente je Erweiterungsmodul, insbesondere ein Kabel, zur Spannungsversorgung und Kommunikation, wobei die Kommunikation eine bidirektionale Übertragung von Daten zwischen jeweils dem Erweiterungsmodul und dem Hauptmodul, sowie, bei mehr als einem Erweiterungsmodul, zwischen jeweils den Erweiterungsmodulen umfasst.
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Die Daten umfassen Funktionsdaten zum Steuern des zumindest einen Erweiterungsmoduls, insbesondere Daten über den Betriebszustand des Erweiterungsmoduls, Daten zum Steuern der Sensoren, Aktuatoren und/oder Kameras, und Interaktionsdaten, die aus der Interaktion des zumindest einen Erweiterungsmoduls mit der Umgebung erfasst wurden, beispielsweise Messdaten der Sensoren und Aktuatoren, und von der Kamera erfasste Bilddaten.
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Die Verbindungsschnittstelle des Hauptmoduls ist vorzugsweise über eine der Verbindungskomponenten in einer 1-zu-1 Verbindung mit einer der Verbindungsschnittstellen eines der Erweiterungsmodule verbunden und jedes weitere der Erweiterungsmodule ist in Reihe über eine weitere der Verbindungskomponenten mit der zweiten Verbindungsschnittstelle des jeweiligen Erweiterungsmoduls verbunden, wobei die Erweiterungsmodule in beliebiger Reihenfolge verbindbar und vertauschbar sind.
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Die Erfindung stellt demnach eine loT-Vorrichtung bereit, bei der die Erweiterungsmodule über die Verbindungskomponente, in beliebiger Reihenfolge mit dem Hauptmodul und untereinander verbunden werden können und austauschbar sind ohne eine erneute Konfiguration oder Programmierung vorzunehmen. Ein Anschließen der Erweiterungsmodule in falscher Reihenfolge ist somit nicht mehr möglich. Fehler, die dadurch bei der Installation der Erweiterungsmodule entstehen können werden reduziert. Zudem wird der Aufwand für die Planung einer Konfiguration in fester Reihenfolge der loT-Vorrichtung reduziert.
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Bei dem Hauptmodul handelt es sich erfindungsgemäß um ein Bauteil, insbesondere ein elektronisches Bauteil, das als separates Bauteil eine eigenständige Funktionseinheit bilden kann. Das Bauteil kann dabei aus mehreren einzelnen Elementen bestehen, die zusammengefügt das Hauptmodul ergeben. Das Hauptmodul kann ebenso ein Element eines Gesamtbauteils sein, insbesondere eines Gesamtsystems, das in das größere Gesamtbauteil aufgenommen wird. Wichtig ist hierbei, dass es als Einheit austauschbar ist und nicht untrennbar mit dem Gesamtbauteil oder dem Gesamtsystem, in das es aufgenommen werden kann, verbunden ist. Das Hauptmodul stellt die Kommunikation für die loT-Vorrichtung mit einem Server bereit. Der Server kann ein Software- und/oder ein Hardware-Server sein, zum Beispiel ein Personal Computer, Großrechner, Rechenzentrum oder auch mobiler Computer wie ein Laptop, Smartphone oder Tablet. Der Server kann außerdem ein Cloud-Server sein, wobei der Cloud-Server physisch, virtuell oder eine Kombination aus beidem sein kann. Der Server kann an jedem beliebigen Ort stehen, bzw. verfügbar sein, beispielsweise über eine Direktverbindung, über ein Intranet oder über das Internet. Das Erweiterungsmodul ist erfindungsgemäß ein Bauteil, insbesondere ein elektronisches Bauteil, das aus mehreren Einzelelementen bestehen kann, die zusammengefügt ein Erweiterungsmodul ergeben. Das Erweiterungsmodul dient der Erweiterung der loT-Vorrichtung mit zusätzlichen Funktionen, beispielsweise zur Interaktion mit der Umgebung der loT-Vorrichtung. Das erste Erweiterungsmodul ist mit dem Hauptmodul über eine Verbindungschnittstelle verbunden. Jedes Erweiterungsmodul weist jeweils zwei identische Verbindungschnittstellen auf. Das Hauptmodul weist eine Verbindungschnittstelle auf, die identisch ist mit den Verbindungschnittstellen, die jedes Erweiterungsmodul aufweist.
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Die Verbindungschnittstellen sind in der Regel kabelgebunden, beispielsweise weisen Sie Steckvorrichtungen, Schraubvorrichtungen oder Klemmvorrichtungen auf. Die Verbindungschnittstellen können jedoch auch drahtlos sein oder eine Kombination aus kabelgebundener und drahtloser Schnittstelle. Jedenfalls sind die eine Verbindungschnittstelle auf dem Hauptmodul und die zwei Verbindungschnittstellen auf dem Erweiterungsmodul so angebracht, dass sie von außerhalb des Moduls leicht zugänglich sind, um beispielsweise ein Kabel anzuschließen. Dabei können die zwei Verbindungsschnittstellen des Erweiterungsmoduls beispielsweise nebeneinander, übereinander, an zwei angrenzenden Seiten des Erweiterungsmoduls oder an gegenüberliegenden Seiten des Erweiterungsmoduls angeordnet sein.
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Die Verbindungskomponente kann erfindungsgemäß beispielsweise ein Kabel sein, dass vorzugsweise ein handelsübliches Kabel ist, das den Anforderungen an die Spannungsversorgung und Kommunikation zwischen dem Erweiterungsmodul und dem Hauptmodul, bzw. zwischen zwei Erweiterungsmodulen genügt. Insbesondere für die Kommunikation muss die Verbindungskomponente die Anforderungen an die Datenübertragung für die Funktionsdaten und Interaktionsdaten, beispielsweise eine gewisse Datenübertragungsrate, erfüllen.
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Funktionsdaten dienen zum Steuern des zumindest einen Erweiterungsmoduls, insbesondere sind dies Daten über den Betriebszustand des Erweiterungsmoduls, Daten zum Steuern der Sensoren, Aktuatoren und/oder Kameras.
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Interaktionsdaten sind Daten, die aus der Interaktion des zumindest einen Erweiterungsmoduls mit der Umgebung erfasst wurden, beispielsweise Messdaten der Sensoren und Aktivatoren und von der Kamera erfasste Bilddaten.
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In einer Abwandlung können die Module sternförmig über eine Art Hub bzw. Verteiler verbunden sein. Im Vergleich mit der Reihenanordnung ist hierbei zusätzlich ein Verteiler nötig, wodurch die erfindungsgemäße Reihenanordnung ein einfacheres System mit weniger Komponenten ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist jede der Verbindungsschnittstellen eine Buchse, insbesondere eine RJ45-Buchse, auf und ist ausgestaltet, ein 8-adriges Kabel anzuschließen. Somit ist es möglich, handelsübliche Netzwerkkabel, zum Beispiel CAT-Kabel, zu verwenden, um die einzelnen Module miteinander zu verbinden. Es ist vorteilhaft, wenn der Stecker in der Buchse arretiert ist, d. h. Sich nicht von alleine lösen kann. Diese Arretierung kann durch einen automatischen Mechanismus geschehen oder ist über eine Klemmvorrichtung oder eine Schraubvorrichtung gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Hauptmodul und das Erweiterungsmodul jeweils ein Gehäuse, wobei das Gehäuse ausgestaltet ist, auf einer Führung, beispielsweise einer Hutschiene, montierbar zu sein. Hutschienen existieren als genormte Tragschienen und werden in der Elektrotechnik bereits zur Befestigung von Bauteilen in Verteilerkästen, Anschlusskästen verwendet und ermöglichen eine einfache und kostengünstige Montage von Schaltschränken und Schaltkästen. Dies ermöglicht zum einen eine Integration der loT-Vorrichtung in bestehende Kästen oder Schränke und zum anderen eine kostengünstige Methode, um die Module der loT-Vorrichtung zu montieren, wobei ein weiterer Vorteil dadurch entsteht, dass die Module beliebig angeordnet werden können und austauschbar sind. Hutschienen sind auch außerhalb von Schaltschränken oder Schaltkästen einfach und individuell anordenbar, beispielsweise an Wänden, Brettern, Leisten oder auch unebenen Oberflächen.
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Vorzugsweise weist das Hauptmodul eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit dem Server auf. Die Kommunikation mit dem Server ermöglicht, die relevanten Daten der loT-Vorrichtung global abrufbar bereitzustellen.
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Die Kommunikation erfolgt insbesondere über eine WiFi-Verbindung und/oder Mobilfunk-Verbindung. Somit kann das Hauptmodul eine Verbindung über WiFi und/oder über ein Mobilfunk-Modem bereitstellen und demnach optimal auf die Umgebung des Aufstellungsortes reagieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Hauptmodul eine Steuerungseinheit zum Steuern des zumindest einen Erweiterungsmoduls über die Verbindungskomponente auf, wobei die Steuerungseinheit insbesondere einen Mikrocontroller aufweist. Die loT-Vorrichtung inklusive aller Erweiterungsmodule kann somit über die Verbindungskomponente zentral vom Hauptmodul aus gesteuert werden. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die Erweiterungsmodule keine eigene Steuerungseinheit benötigen. Somit werden die Komplexität des Systems und der Energiebedarf reduziert. Zudem erleichtert eine zentrale Steuerungseinheit die Fehlersuche, denn Fehler, die in der Verarbeitung der Steuerungsbefehle zu Steuerungssignalen auftreten, treten im Wesentlichen nur zentral in der Steuerungseinheit auf und können dort dann auch behoben werden. Steuerungsbefehle sind hier als Anweisungen in Form von Programmcode zu verstehen, die von einer Recheneinheit interpretiert und/oder ausgeführt werden. Steuerungssignale hingegen können analoge oder digitale Signale sein, die Information übertragen. Da Steuerungssignale meist geringere Übertragungsraten benötigen als Steuerungsbefehle, wird die Hauptrechenlast auf die Steuerungseinheit konzentriert und die Übertragungslast auf die Verbindungskomponenten reduziert. Dadurch steigt zum einen die Übertragungskapazität zwischen dem Hauptmodul und dem zumindest einen Erweiterungsmodul und der Energiebedarf kann zudem gesenkt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuerungseinheit dazu ausgebildet, über eine Adressierung der Erweiterungsmodule jedes der Erweiterungsmodule direkt oder indirekt über die Verbindungsschnittstelle anzusteuern. Jedes Erweiterungsmodul ist dadurch eindeutig identifizierbar und es ist möglich, jedes Erweiterungsmodul einzeln anzusteuern, unabhängig davon in welcher Reihenfolge die Erweiterungsmodule in der loT-Vorrichtung angeordnet sind. Die loT-Vorrichtung ist somit mit Erweiterungsmodulen adaptiv erweiterbar, das heißt so erweiterbar, dass sich die Adressierung der Erweiterungsmodule in der Steuerungseinheit mit der Erweiterung durch zusätzliche Erweiterungsmodule anpasst. Ebenso wird die Adressierung der Erweiterungsmodule in der Steuerungseinheit angepasst, wenn die Reihenfolge der Erweiterungsmodule geändert wird oder Erweiterungsmodule aus der loT-Vorrichtung entfernt werden.
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Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit des Weiteren ausgestaltet, durch Kommunikation über die Verbindungsschnittstelle das zumindest eine Erweiterungsmodul aus einem Betriebszustand in einen Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand zu versetzen und aus dem Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand wieder in den Betriebszustand zu versetzen. Der Tiefschlafzustand ist dabei ein Zustand, in dem zumindest die Steuerungseinheit deaktiviert, das heißt stromlos wird. Beim Standby-Zustand hingegen wird die Stromzufuhr zu den nichtgenutzten Systemen so weit wie möglich reduziert, um Energie zu sparen.
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Dies bringt den Vorteil, dass ein Erweiterungsmodul nur bei Bedarf verwendet wird und somit der Energiebedarf maximal reduziert werden kann in dem Fall, in dem ein Erweiterungsmodul nicht verwendet wird. Wird das Erweiterungsmodul jedoch benötigt, kann es mithilfe eines über die Verbindungsschnittstelle gesendeten Signals wieder in den Betriebszustand versetzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Hauptmodul des Weiteren eine Spannungsversorgungseinheit auf, die ausgestaltet ist, an eine externe Spannungsquelle angeschlossen zu sein und das zumindest eine Erweiterungsmodul über die Verbindungsschnittstelle mit Spannung zu versorgen. Eine zusätzliche Spannungsquelle für das Erweiterungsmodul ist somit nicht notwendig, wodurch eine flexible Anordnung des zumindest einen Erweiterungsmoduls ermöglicht wird und gleichzeitig der Bauraum und der Energiebedarf der gesamten loT-Vorrichtung reduziert werden kann.
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Zudem weist das Hauptmodul des Weiteren vorzugsweise eine Spannungsüberwachungseinheit auf, die ausgestaltet ist, die Leistungsaufnahme des Hauptmoduls über die Spannungsversorgungseinheit, und/oder die Leistungsaufnahme des zumindest einen Erweiterungsmoduls über die Verbindungsschnittstelle zu überwachen und vorzugsweise zu steuern. Es ist somit möglich, Daten über die Leistungsaufnahme des Hauptmoduls und des zumindest einen Erweiterungsmoduls zu sammeln und dem Benutzer, beispielsweise über den Server, zur Verfügung zu stellen. Die Daten können ausgewertet werden, um Leistungsanalysen durchzuführen und diese Analysen für die zukünftige Betriebsplanung und Optimierung des Betriebs zu verwenden. Außerdem dienen die Daten der Überwachung der loT-Vorrichtung. So können beispielsweise Wartungsintervalle entsprechend geplant werden und falls Unregelmäßigkeiten auftreten, können diese, z.B. in Echtzeit, analysiert werden und entsprechend darauf reagiert werden. Fehler und Fehlfunktionen können so frühzeitig erkannt werden und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um Schaden an der loT-Vorrichtung, das heißt dem Hauptmodul und/oder dem zumindest einen Erweiterungsmodul, zu verhindern.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Spannungsüberwachungseinheit ausgestaltet, die Spannungsversorgung des Hauptmoduls über die Spannungsversorgungseinheit bei Über- oder Unterspannung sowie bei Verpolung zu trennen. Im Falle einer Störung in der Spannungsversorgung, wenn die Spannungsversorgung falsch angeschlossen wird, eine falsche Spannungsquelle angeschlossen wird oder sonst eine Störung auftritt, kann somit Schaden im Hauptmodul und in den Erweiterungsmodulen vorhergesehen werden und verhindert werden.
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Vorzugsweise ist die Spannungsüberwachungseinheit des Weiteren ausgestaltet, die Spannungsversorgung des zumindest einen Erweiterungsmoduls über die Verbindungskomponente zu trennen. Ebenfalls kann im Falle einer Störung in der Spannungsversorgung, wenn die Spannungsversorgung falsch angeschlossen wird, eine falsche Spannungsquelle angeschlossen wird oder sonst eine Störung auftritt, Schaden in dem zumindest einen Erweiterungsmodul vorhergesehen werden und verhindert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist das Hauptmodul eine Konfigurationseinheit zum Konfigurieren der über die Verbindungsschnittstelle verbundenen Erweiterungsmodule auf, wobei die Konfigurationseinheit ausgestaltet ist, Konfigurationsinformationen zu erfassen, wobei die Konfigurationsinformationen beinhalten, ob ein Erweiterungsmodul über die Verbindungsschnittstelle angeschlossen ist, wobei das Erweiterungsmodul über eine Adresse, die vom Erweiterungsmodul über die Verbindungsschnittstelle an das Hauptmodul gesendet wird, eindeutig identifizierbar ist.
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Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, dass Erweiterungsmodule in beliebiger Reihenfolge über die Verbindungsschnittstelle mit dem Hauptmodul verbunden, angeordnet und auch ausgetauscht werden können, ohne dass die Konfiguration der loT-Vorrichtung, was zumindest die Anzahl, Art und Reihenfolge der Erweiterungsmodule umfasst, vorab bekannt sein muss oder voreingestellt werden muss. Eine adaptive Erweiterung mit Erweiterungsmodulen und Austausch von Erweiterungsmodulen ist daher jederzeit möglich. Die Konfiguration der über die Verbindungschnittstelle verbundenen Erweiterungsmodule und das Erfassen der Konfigurationsinformationen erfolgt beispielsweise wenn das Hauptmodul provisioniert wurde.
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In einer Ausführungsform ist die Konfigurationseinheit ausgestaltet, die Funktion zur Interaktion mit der Umgebung der loT-Vorrichtung, beispielsweise Sensoren, Aktuatoren oder Kameras, die das zumindest eine angeschlossene Erweiterungsmodul bereitstellt, als weitere Konfigurationsinformation zu erfassen. Dem Benutzer können somit detailliertere Informationen über die loT-Vorrichtung, insbesondere die verfügbaren Funktionalitäten der angeschlossenen Erweiterungsmodule, bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Hauptmodul eine Anschlussschnittstelle zum Anschließen von Sensoren auf, insbesondere Sensoren zum Erfassen von Messwerten, wie zum Beispiel Temperatur, Spannung, Strom und Luftfeuchtigkeit. So können zusätzliche Sensoren direkt an das Hauptmodul angeschlossen werden, zum Beispiel über einen seriellen Anschluss. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Bauraum und/oder die verfügbare Energie sehr begrenzt ist und kein zusätzliches Erweiterungsmodul für die Erfüllung der Funktionalität der loT-Vorrichtung erforderlich ist. So kann die loT-Vorrichtung beispielsweise als mobile Vorrichtung verwendet werden, an die ja nach Bedarf einzelne oder mehrere Sensoren angeschlossen werden können, um im mobilen Einsatz Messdaten zu erfassen.
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Zweckmäßigerweise weist das Hauptmodul eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Daten auf, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, Interaktionsdaten über die Verbindungsschnittstelle und die Verbindungskomponente an das zumindest eine angeschlossene Erweiterungsmodul zu senden und von dem zumindest einen angeschlossenen Erweiterungsmodul zu empfangen. Dabei ist von Vorteil, wenn die Datenverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, basierend auf den erfassten Konfigurationsinformationen, zu entscheiden, wenn ein angeschlossenes Erweiterungsmodul eine weitere Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Server, z.B. über ein Mobilfunk- und/oder Satelliten-Modem und/oder andere Kommunikationsarten wie LoRa, bereitstellt, ob die Interaktionsdaten über die Kommunikationsschnittstelle des Hauptmoduls und/oder über die weitere Kommunikationsschnittstelle, die von einem Erweiterungsmodul bereitgestellt wird, gesendet und/oder empfangen werden.
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Auf diese Weise kann die loT-Vorrichtung mit einer zusätzlichen Kommunikationsschnittstelle über ein Erweiterungsmodul erweitert werden, worüber die loT-Vorrichtung mit einem Server, insbesondere mit einem Cloud-Server kommunizieren kann.
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Dies ist besonders von Vorteil, wenn durch technologischen Fortschritt die Anforderungen an die Kommunikationsschnittstelle gestiegen sind oder sich geändert haben, die die Kommunikationsschnittstelle des Hauptmoduls nicht mehr erfüllt. In einem anderen Fall könnte es je nach Betriebsmodus und Situation vorteilhaft sein die Kommunikationsschnittstelle des Hauptmoduls und/oder des Erweiterungsmoduls für die Kommunikation mit dem Server zu verwenden, um zum Beispiel den Energiebedarf zu senken bzw. an den Server anzupassen, mit dem die loT-Vorrichtung kommuniziert. Alternativ oder zusätzlich kann auf äußere Gegebenheiten, wie zum Beispiel das Wetter, Tages- bzw. Nachtzeit oder Stand und Erreichbarkeit eines Satelliten, flexibel reagiert werden, um optimalen Energieeinsatz zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist das Hauptmodul und/oder wenigstens eines der Erweiterungsmodule eine elektronische Platine auf, wobei die elektronische Platine einen Vorhalt für Mikrofon und Lautsprecher, und/oder einen Debug-Port, der über eine Software deaktivierbar ist, aufweist. Über den Debug-Port können Fehler in der Software und der Hardware diagnostiziert und aufgefunden werden. Der Vorteil, dass der Debug-Port über eine Software deaktivierbar ist, liegt darin, dass bei Bedarf entsprechende Vorkehrungen gegen ein Mitlesen der Debug-Nachrichten getroffen werden können, ohne in die Hardware eingreifen zu müssen.
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Zweckmäßigerweise ist die elektronische Platine für einen Betrieb mit Nieder-Kleinspannung ausgestaltet. Für den Bereich der Nieder-Kleinspannung sinken die Anforderungen an eine entsprechende Schirmung der elektrischen Leiter und an die Sicherheitsvorrichtungen, um Überhitzung der elektronischen Platine zu verhindern und die Verletzungsgefahr des Benutzers zu reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eines der Erweiterungsmodule eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Daten auf, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, Daten über beide der Verbindungsschnittstellen zu empfangen und zu senden. Dabei ist die Datenverarbeitungseinheit des Weiteren ausgestaltet, zu erkennen, ob über eine der Verbindungsschnittstellen empfangene Daten für das jeweilige Erweiterungsmodul bestimmt sind, und wenn die Daten für das Erweiterungsmodul bestimmt sind, die Daten zu verarbeiten, und wenn die Daten nicht für das Erweiterungsmodul bestimmt sind, die Daten über die andere der beiden Verbindungsschnittstellen weiterzuleiten, insbesondere unverändert weiterzuleiten. So kann sichergestellt werden, dass die gesendeten und/oder empfangenen Daten immer an den richtigen Adressaten gelangen, unabhängig in welcher Reihenfolge die Erweiterungsmodule angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist wenigstens eines der Erweiterungsmodule des Weiteren eine Adresseinheit zum Bereitstellen einer Adresse des Erweiterungsmoduls auf, so dass das Erweiterungsmodul eindeutig identifizierbar ist, wobei die Adresse über eine der Verbindungsschnittstellen an das Hauptmodul gesendet wird. Hierdurch kann ein Erweiterungsmodul eindeutig identifiziert werden, ohne dass im Hauptmodul ein zusätzlicher Konfigurationsschritt notwendig ist. Das Erweiterungsmodul meldet sich sozusagen selbst an beim Hauptmodul, sobald es über die Verbindungsschnittstelle entweder mit dem Hauptmodul oder mit einem Erweiterungsmodul verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die durch die Adresseinheit bereitgestellte Adresse konfigurierbar, beispielsweise über einen DIP-Schalter (Dual In-line Package), eine Jumper-Einstellung oder ein Web-Interface, wodurch die Adresse eines Erweiterungsmoduls, zum Beispiel, entsprechend der loT-Vorrichtung angepasst werden kann und/oder im Nachhinein geändert werden kann. Dies kann, zum Beispiel, bei Adresskonflikten nützlich sein.
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In besonderen Fällen kann es vorteilhaft sein, dass die durch die Adresseinheit bereitgestellte Adresse vorbestimmt ist, zum Beispiel bei besonderen Sicherheitsanforderungen, wenn nur vorbestimmte Erweiterungsmodule angeschlossen werden sollen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eines der Erweiterungsmodule ausgestaltet, über die Verbindungsschnittstelle, aus einem Betriebszustand in einen Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand versetzt zu werden und aus dem Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand wieder in den Betriebszustand versetzt zu werden. In einem Fall, in dem ein Erweiterungsmodul nicht verwendet wird, kann, indem das Erweiterungsmodul in einen Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand versetzt wird, der Energiebedarf stark reduziert werden. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die loT-Vorrichtung nur eine begrenzte Energiequelle zur Verfügung hat.
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Vorzugsweise ist wenigstens eines der Erweiterungsmodule ausgestaltet, über ein Sensorsignal, aus einem Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand in einen Betriebszustand versetzt zu werden. Der Energiebedarf eines Erweiterungsmoduls kann auf diese Weise auf ein Minimum reduziert werden, gerade so viel, dass der Sensor funktionsfähig ist. Alle anderen Komponenten sind jedoch ausgeschaltet.
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In einer Ausführungsform ist das Hauptmodul ausgestaltet, insbesondere über die Verbindungsschnittstelle, aus einem Betriebszustand in einen Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand versetzt zu werden und aus dem Tiefschlafzustand oder Standby-Zustand wieder in den Betriebszustand versetzt zu werden. Die bringt den vorteilhaften Effekt, dass, wenn die loT-Vorrichtung nicht verwendet wird, der Energiebedarf minimiert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eines der Erweiterungsmodule ein Positionsbestimmungsmodul, insbesondere ein satellitengestütztes Positionsbestimmungsmodul zum Erfassen von Positionsdaten, insbesondere GPS- und/oder GNSS-Messdaten, auf und ist ausgestaltet, die Positionsdaten über eine oder beide der Verbindungsschnittstellen bereitzustellen. Die aktuelle Position der loT-Vorrichtung kann durch ein Positionsbestimmungsmodul jederzeit ermittelt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die loT-Vorrichtung bei nicht stationären Anwendungszwecken, beispielsweise in Fahrzeugen, auf Flüssen, in der Luft oder auf Tieren, zum Einsatz kommt. Auch bei stationären Anwendungen zur Vermessung der Erdoberfläche kann es wichtig sein, die Verschiebung der Erdoberfläche, zum Beispiel, durch seismische Aktivitäten, mithilfe hochpräziser Positionsdaten zu überwachen. Außerdem können andere von der loT-Vorrichtung erfasste Daten zusätzlich mit Positionsdaten hinterlegt und damit kombiniert bereitgestellt werden. Es bietet darüber hinaus Schutz bei unerlaubter Entwendung, zum Beispiel, durch Diebstahl, und ermöglicht es die loT-Vorrichtung zu lokalisieren und wiederzufinden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eines der Erweiterungsmodule eine Kamera auf, wobei das Erweiterungsmodul ausgestaltet ist, die Kamerarohdaten zu Bilddaten zu verarbeiten und die Bilddaten über die Verbindungsschnittstelle bereitzustellen. Die loT-Vorrichtung kann somit auch zur visuellen Überwachung mit Bilddaten verwendet werden.
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In noch einer Ausführungsform weist das Erweiterungsmodul einen Baustein auf, der ausgestaltet ist, externe Verbraucher, insbesondere Aktuatoren, im Nieder-Kleinspannungsbereich anzusteuern, wobei über Ausgänge vorzugsweise bis zu fünf Aktuatoren angesteuert werden können, wobei das Erweiterungsmodul des Weiteren eine Schnittstelle aufweist, die zum Anschluss eines Motors, insbesondere eines IC-gesteuerten Motors, ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise weist das Erweiterungsmodul einen Baustein auf, der ausgestaltet ist, externe Sensoren anzuschließen. Das Erweiterungsmodul kann somit nachträglich mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet werden, ohne ein zusätzliches Erweiterungsmodul anzuschließen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn zusätzliche Sensoren nur temporär benötigt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Erweiterungsmodul eine Mobilfunkkomponente und/oder eine Satellitenkommunikationskomponente auf, die dazu ausgebildet ist, eine Kommunikationsverbindung, insbesondere eine Internetverbindung zu dem Server, über das Mobilfunknetz bzw. ein Satellitennetzwerk zu ermöglichen, wobei die Kommunikationsverbindung wenigstens dem Hauptmodul über die Verbindungsschnittstelle bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform weist das Erweiterungsmodul eine drahtlose Kommunikationseinheit auf, wobei das Erweiterungsmodul über die drahtlose Kommunikationseinheit mit einem drahtlosen Netzwerk, insbesondere LoRa, ZigBee und/oder SigFox, verbindbar ist. Zusätzliche Erweiterungsmodule können somit drahtlos mit der loT-Vorrichtung verbunden werden und von der loT-Vorrichtung gesteuert und verwendet werden oder diese in solche Netzwerke integrieren.
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Vorzugsweise weist das Erweiterungsmodul eine Netzwerkeinheit auf, die dazu ausgestaltet ist, ein drahtloses Netzwerk aufzubauen, insbesondere LoRa, ZigBee oder SigFox, um zumindest ein Erweiterungsmodul, das über die drahtlose Kommunikationseinheit mit dem drahtlosen Netzwerk verbunden ist, mit dem Hauptmodul zu verbinden. Zusätzliche Erweiterungsmodule können somit drahtlos, also ohne Kabel, mit der loT-Vorrichtung verbunden werden und von der loT-Vorrichtung gesteuert und verwendet werden. Die zusätzlichen Erweiterungsmodule können dadurch in unmittelbarer Umgebung zur loT-Vorrichtung flexibel platziert werden, ohne dass eine Kabelverbindung zu den anderen Erweiterungsmodulen in der loT-Vorrichtung nötig ist.
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Dies erweitert das Einsatzgebiet der loT-Vorrichtung, denn durch den Aufbau eines drahtlosen Netzwerkes, insbesondere LoRa, ZigBee oder SigFox, können die zusätzlichen Erweiterungsmodule auch in einem größeren Umkreis, bis hin zu einigen Kilometern Entfernung um die loT-Vorrichtung, mit der loT-Vorrichtung verbunden werden und deren Funktion genutzt werden.
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So kann mit nur einer loT-Vorrichtung beispielsweise ein Netz von Sensoren, die jeweils auf den zusätzlichen Erweiterungsmodulen angebracht sind, über ein größeres Gebiet aufgespannt werden, was insbesondere bei der Brandüberwachung eines Waldgebietes oder der Tierüberwachung in einem begrenzten Gebiet vorteilhaft ist.
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Die von den Sensoren erfassten Daten werden dann zentral über die loT-Vorrichtung gesammelt und gegebenenfalls verarbeitet und dem Benutzer über den Server zur Verfügung gestellt und/oder für die Abbildung von Funktionen und Logiken im System oder über den Server verarbeitet. Jedes Erweiterungsmodul, das über das drahtlose Netzwerk mit der loT-Vorrichtung verbunden ist, benötigt keine eigene Kommunikationsschnittstelle, um mit dem Server zu kommunizieren, sondern lediglich eine eigene Energieversorgung, die jedoch nur das jeweils einzelne Erweiterungsmodul mit Energie versorgen muss.
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Diese Erweiterungsmodule können somit speziell an den Anwendungszweck beziehungsweise Aufstellungsort angepasst werden, was zu einer kompakteren Bauart führt und neben einem reduzierten Energiebedarf auch reduzierte Kosten durch beispielsweise Ressourceneinsparung zur Folge hat. Da jedes Erweiterungsmodul, das über das drahtlose Netzwerk mit der loT-Vorrichtung verbunden ist, auch jeweils zwei Verbindungschnittstellen aufweist, ist es möglich, zusätzliche Erweiterungsmodule über die Verbindungskomponente anzuschließen und somit je nach Bedarf die Funktionalität an dem Aufstellort der über das drahtlose Netzwerk mit der loT-Vorrichtung verbundenen Erweiterungskomponente durch zum Beispiel zusätzliche Sensoren zu erweitern, was zu zusätzlicher Modularität und Flexibilität der loT-Vorrichtung führt.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten für über ein drahtloses Netzwerk verbundene Erweiterungskomponenten sind die Überwachung von Gebäuden, Grundstücken oder öffentlichem Raum, zum Beispiel zu Sicherheitszwecken, aber auch die Überwachung von Infrastruktur, beispielsweise dem Schienenverkehr oder einem Flughafen, zu Wartungszwecken, wobei die über das drahtlose Netzwerk verbundenen Erweiterungskomponenten beispielsweise Daten über den Zustand oder die Funktion der Infrastruktur sammeln und dem Benutzer über die loT-Vorrichtung und den Server zur Verfügung stellen.
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Vorzugsweise ist das Hauptmodul ausgestaltet, über das Internet, insbesondere eine Cloud, gesteuert zu werden. Eine Steuerung der loT-Vorrichtung muss somit nicht mehr vor Ort durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Verwendung in entweder entlegenen Gegenden oder an schwer zugänglichen Orten. Außerdem können die Wartung, zum Beispiel Updates, und oder die Reparatur der Software der loT-Vorrichtung und aller darin enthaltenen Komponenten, wie das Hauptmodul und das zumindest eine Erweiterungsmodul, remote, d. h. Über das Internet, insbesondere über eine Cloud, durchgeführt werden. Dies spart Zeit und Kosten, da die Notwendigkeit Maßnahmen vor Ort, das heißt an der loT-Vorrichtung selbst, durchzuführen auf ein Minimum reduziert wird.
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Nach einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer loT-Vorrichtung vor, wobei das Hauptmodul und/oder wenigstens eines der Erweiterungsmodule eine elektronische Platine aufweist, wobei die elektronische Platine wenigstens eine Sollbruchstelle aufweist. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:
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- - Teilen der elektronischen Platine an der wenigstens einen Sollbruchstelle,
- - Zusammenstecken des Hauptmoduls bzw. des Erweiterungsmoduls zu einer wenigstens zwei Ebenen aufweisende Baugruppe,
- - Einbau der Baugruppe in ein Gehäuse, wobei die an den Sollbruchstellen herausgebrochenen Verbindungsstücke als Führung der Baugruppe zum Einbau in das Gehäuse dienen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass alle Einzelmodule, das heißt Hauptmodul und Erweiterungsmodul, so gelayoutet sind, dass sie sich jeweils als Einzelplatine fertigen und Bestücken lassen, und dann durch im Design eingebrachte Sollbruchstellen so in Teilplatinen teilen lassen, dass eine in zwei Ebenen zusammensteckbare Baugruppe zum Einbau in ein Gehäuse entsteht. Dabei sind die über die zumindest eine Sollbruchstelle herauszutrennenden Verbindungsstücke so geformt, dass sie zum Zwecke der Positionierung der Teilplatinen im Gehäuse dienen können, indem sie beispielsweise durch Lötverbindung oder durch die vorgesehene Verwendung von Plastiknieten mit den beiden Teilplatinen verbinden lassen.
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Die entstehende Form der Gesamtbaugruppe ist so gewählt, dass sich die Baugruppe in die Führungsschienen des Gehäuses einschieben lässt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise für alle Module, das heißt Haupt- und Erweiterungsmodul, erfolgt, bei denen eine bestimmte Position der Baugruppe innerhalb des Gehäuses vorteilhaft für die Position gegebenenfalls herauszuführender Anschlüsse wie beispielsweise Steckleisten und/oder Klemmenblöcke hinsichtlich notwendigem Bearbeitungsaufwand ist. Dies bedeutet, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren des Platinendesigns beispielsweise die Anschlussterminals extern anzuschließender Sensoren und Aktuatoren an Erweiterungsmodule gegenüber standardmäßig bestehender Gehäuseöffnungen optimal positioniert sind.
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Die Ausführung der Anschlüsse ist dabei dergestalt, dass gegebenenfalls notwendige externe Anschlüsse durch entsprechende Aussparungen am Gehäuse herausgeführt werden können. Hierbei sind insbesondere die zum Anschluss individueller Sensoren oder Aktoren vorgesehenen Schraubklemmenblöcke so ausgeführt, dass diese vom Gehäuse bzw. von der Platine abgesteckt werden können, ohne die Zuordnung bzw. die Verschraubung der notwendigen Kabel zu lösen. Hierdurch ist es zum Beispiel möglich, zu erneuernde Komponenten schnell und ohne Anschlussplan auszutauschen, um den Erfahrungen Rechnung zu tragen, bei der der Anwender regelmäßig Schwierigkeiten beim korrekten Anschluss hatte, bzw. Beschädigungen durch falschen Anschluss hervorgerufen hat.
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Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein loT-System vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße loT-Vorrichtung und eine Cloud, die über das Internet mit der erfindungsgemäßen loT-Vorrichtung verbindbar ist, wobei die IoT-Vorrichtung über die Cloud gesteuert werden kann, aufweist.
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Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hauptmodul zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen loT-Vorrichtung vorgeschlagen.
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Schließlich schlägt die Erfindung nach einem fünften Aspekt ein Erweiterungsmodul zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen loT-Vorrichtung vor.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gemeint. In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen IoT-Vorrichtung.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hauptmoduls.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Erweiterungsmoduls.
- 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems.
- 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems.
- 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems.
- 7A zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäß gefertigten elektronischen Platine mit Sollbruchstellen vor dem Zusammenbau.
- 7B zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß gefertigten elektronischen Platine nach dem Zusammenbau zu einer Baugruppe.
- 7C zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß gefertigten elektronischen Platine nach dem Zusammenbau zu einer Baugruppe in einem Gehäuse.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen loT-Vorrichtung 10 mit einem Hauptmodul 100, einem Erweiterungsmodul 200 und einer Verbindungskomponente 300. Auf dem Hauptmodul 100 ist eine Verbindungsschnittstelle 102 angeordnet. Auf dem Erweiterungsmodul 200 sind zwei Verbindungsschnittstellen 202 angeordnet, die identisch zu der Verbindungsschnittstelle 102 auf dem Hauptmodul 100 ist. Die Verbindungskomponente 300 ist mit der einen Verbindungsschnittstelle 102 des Hauptmoduls 100 und mit einer der beiden Verbindungsschnittstellen 202 des Erweiterungsmoduls 200 verbunden und verbindet somit das Hauptmodul 100 mit dem einen Erweiterungsmodul 200. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann an der anderen Verbindungsschnittstelle 202 des Erweiterungsmoduls 200 mindestens ein weiteres Erweiterungsmodul über eine Verbindungskomponente verbunden werden. Die loT-Vorrichtung ist dadurch beliebig erweiterbar.
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In 2 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hauptmoduls 100 dargestellt. Die Basis des Hauptmoduls 100 bildet eine elektronische Platine 1000, auf der eine Vielzahl von Bauteilen angeordnet werden kann. Diese umfassen eine Verbindungsschnittstelle 102, die mit einer Verbindungskomponente 300 (hier nicht dargestellt) verbunden werden kann, eine Kommunikationsschnittstelle 110 zur Kommunikation mit einem Server 30, eine Steuerungseinheit 112 zum Steuern des zumindest einen Erweiterungsmoduls 200 über die Verbindungskomponente 300, eine Konfigurationseinheit 114 zum Konfigurieren der über die Verbindungsschnittstelle 102 verbundenen Erweiterungsmodule 200, eine Datenverarbeitungseinheit 116 zum Verarbeiten von Daten, eine Spannungsversorgungseinheit 106, eine Spannungsüberwachungseinheit 108, eine Anschlussschnittstelle 118 zum Anschließen von Sensoren und einen Debug-Port 120, wobei der Debug-Port 120 über eine Software deaktivierbar ist.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Erweiterungsmoduls 200. Die Basis des Erweiterungsmoduls 200 bildet eine elektronische Platine 2000 auf der eine Vielzahl von Bauteilen angeordnet werden können. Diese umfassen zwei Verbindungsschnittstellen, die jeweils mit einer Verbindungskomponente 300 verbunden werden können, eine Adresseinheit 206, ein Positionsbestimmungsmodul 208, eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 210, eine Netzwerkeinheit 212, eine Mobilfunk- und/oder Satellitenkommunikationskomponente 214, eine Datenverarbeitungseinheit 216, eine Anschlussschnittstelle 218, eine Kamera 220 und einen Baustein 224, der ausgestaltet ist, externe Verbraucher im Nieder-Kleinspannungsbereich anzusteuern.
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Nachfolgend werden konkrete Ausführungen eines Erweiterungsmoduls vorgestellt, wobei diese allein oder in Kombination ausgestaltet sein können.
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Eine beispielhafte Ausführungsform des Erweiterungsmoduls 200 ist ein nachfolgend als GPSBox bezeichnetes Modul. Die GPSBox ist ein modularer Baustein, der zur Aufnahme eines Positionsbestimmungsmoduls 208 dient und dazu geeignet ist dieses, beziehungsweise dessen Messwerte, der loT-Vorrichtung zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist neben der Verbindungsschnittstelle 202 zur Verbindung mit dem Hauptmodul 100 (im weiteren KiWiBus genannt) auch eine optische Signalisierung der Betriebszustände mittels LEDs vorgesehen, sowie eine von dem Hauptmodul 100 via KiWiBus steuerbare Abschaltung der Versorgungsspannung zum Zwecke der Energieeinsparung im Batteriebetrieb. Zudem kann die gesamte GPSBox via KiWiBus von dem Hauptmodul 100 in einen energiesparenden sleep-Modus (Standby-Zustand) versetzt werden. Zur Umsetzung dieser Funktionen basiert die GPSBox auf einem eigenen Mikrocontroller, beispielsweise ein ATmega328P in Form eines Arduino Pro Mini, welcher über einen nach Verbau im Gehäuse von außen zugänglichen Anschluss zum Flashen, das heißt Überschreiben von Programmspeicher, (im folgenden Flashport genannt), beispielsweise mit entsprechender Software unter Zuhilfenahme des Bausteins Flashtool geflasht werden kann.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Erweiterungsmoduls 200 ist ein nachfolgend als CamBox bezeichnetes Modul. Die CamBox ist ein modularer Baustein, welcher zum externen Anschluss beispielsweise eines seriellen TTL-jpg-Camera-Moduls geeignet ist, und dem Hauptmodul die Kommunikation mit diesem erlaubt, hier insbesondere zum Zwecke der (Einzel-)Bildaufnahme.
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Hierzu befindet sich auf der oberen Ebene der aufgebauten Platinenbaugruppe eine Steckerwanne, in die ein Kabel zu einem entsprechenden externen Kameramodul, das zum Beispiel in ein spritzwassergeschütztes Gehäuse eingebaut sein kann, angeschlossen werden kann. Die CamBox basiert ebenfalls auf einem Mikrocontroller, beispielsweise des Typs ATmega328P in Form eines Arduino Pro Mini, wodurch die Kameradaten via KiWiBus an das Hauptmodul 100 übertragen werden können. Die CamBox unterstützt dabei eine An/Abschaltung der Stromversorgung zur Kamera sowie eine Signalisierung der Betriebszustände über LEDs. Ebenso wie die GPSBox kann auch die CamBox via KiWiBus von dem Hauptmodul in einen energiesparenden sleep-Modus versetzt werden.
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Die CamBox besitzt in der oberen Platinenebene einen Ausbruch, der durch Aufstecken einer Pinleiste die direkte, dauerhafte Kontaktierung eines Flashtools ermöglicht, wie es zu Debugging-Zwecken notwendig sein kann. Hierzu muss dann nur der Gehäusedeckel geöffnet werden.
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Zudem ist auf der unteren Platinenebene beispielsweise ein ISP-Port (In-System-Programmierung) als Bestückung vorgesehen, mittels dem auch ein komplettes Flashen inklusive Bootloader (Startprogramm) möglich ist.
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Ein nachfolgend als AktuatorBox bezeichnetes Modul ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Erweiterungsmoduls 200. Die AktuatorBox ist ein modularer Baustein, der zur Ansteuerung externer Verbraucher im Nieder/Kleinspannungsbereich (12V) ausgelegt ist. Hierzu können je nach Ausbaustufe bzw. Bestückung bis zu fünf Aktuatoren angesteuert werden, je Ausgang können Ströme von bis zu 3A (je nach Wahl der Sicherungen kurzzeitig 5A) geschaltet werden. Hierbei sind im Platinenlayout für diese Ausgänge Maßnahmen zum Schutz gegen Spannungsspitzen vorgesehen, wie sie zum Beispiel beim Betrieb, beziehungsweise insbesondere beim Abschalten von induktiven Lasten, wie zum Beispiel Magnetriegeln auftreten können, wenn diese keine eigenen Vorkehrungen gegen solche Spannungsspitzen integriert haben.
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Zusätzlich verfügt die AktuatorBox über eine Schnittstelle zum externen Anschluss beispielsweise eines Linear-Stellmotors mit IC und digitalen Endstoppsignalen, mit dem beispielsweise Klappenbewegungen ausgeführt werden können. Diese Schnittstelle ist bidirektional ausgeführt, das heißt es können nicht nur Aktuatorbewegungen ausgeführt, sondern auch Lagerückmeldungen des Stellmotors ausgelesen werden.
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Hierzu basiert die AktuatorBox beispielsweise auf einem Shiftregister Chip, welcher die Umsetzung, beziehungsweise Ansteuerung der Signale/Schaltausgänge ausführt und via KiWiBus von dem Hauptmodul 100 angesprochen werden kann.
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Die Spannungsversorgung für den Betrieb der Ausgänge und des Linearmotors wird dabei über einen gesonderten Stecker in die AktuatorBox geführt, um der hohen maximalen Stromaufnahme gerecht zu werden.
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Die Schnittstelle für beispielsweise den Linear-Stellmotors ist dabei für die Versorgungsspannung des Stellmotors vorzugsweise mit einer gesonderten Sicherung ausgestattet, die Anschlüsse 1 und 2 sind für besonders hohe Ströme einzeln, die Anschlüsse 3 bis 5 gemeinsam mit einer Sicherung gegen Überlast abgesichert. Die AktuatorBox verfügt darüber hinaus in der oberen Ebene der Platinenbaugruppe über eine wechselseitig einsetzbare Platinenebene, welcher auf einer Seite nur die Anschlussbeschriftung, auf der anderen Seite die Anschlussbeschriftung sowie LEDs zur Schaltzustandsanzeige für alle Ausgänge inklusive Laufrichtungsanzeige des Linear-Stellmotors verfügt.
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Durch das wechselseitig nutzbare Platinendesign kann sowohl eine Variante ohne als auch eine Variante mit Anzeige-LEDs realisiert werden. Dabei ist das Design so gewählt, dass bei der Variante ohne LEDs bei Verbau in einem Gehäuse nicht sichtbar ist, dass diese Variante verfügbar beziehungsweise vorgesehen ist, um der Möglichkeit eines Optionsgeschäfts Rechnung zu tragen, beziehungsweise günstiger herstellbare Varianten zu ermöglichen.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Erweiterungsmoduls 200 ist ein nachfolgend als SensorBox bezeichnetes Modul. Die SensorBox ist ein modularer Baustein, der zum Anschluss externer Sensoren dient, deren Messwerte, beziehungsweise Schaltzustände, via KiWiBus von dem Hauptmodul 100 ausgelesen werden können. Die SensorBox unterstützt je nach Bestückung bis zu zehn oder mehr Schalteingänge, an die beispielsweise Kontaktschalter, Steuerschalter, Magnetkontakte wie Tür/Fenstersensoren, Lichtschranken, PIR-Sensoren, etc. angeschlossen werden können. Zusätzlich verfügt die SensorBox über beispielsweise zwei dedizierte Anschlüsse für aktive Sensoren, also solche die selbst Strom verbrauchen. Hier steht insbesondere die Anwendung für Lichtschranken und Passive-Infrared-Sensoren (im Folgenden PIR-Sensoren genannt) im Fokus. Die Ausgänge beziehungsweise Anschlüsse für passive wie auch aktive Sensoren sind strombegrenzt, sodass versehentlicher Kurzschluss in der externen Verkabelung nicht zum Ausfall oder zur Beschädigung des Gesamtsystems führt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Stromversorgung der beiden Anschlüsse für aktive Sensoren unabhängig voneinander via KiWiBus durch das Hauptmodul 100 zu schalten, um beispielsweise in Batteriebetriebenen Anwendungen eine bedarfsgerechte Sensoraktivierung zu ermöglichen und den Anforderungen an Energieeinsparung gerecht zu werden. Hierbei stehen insbesondere Betriebsmodi im Fokus, bei denen passive Sensoren oder besonders stromsparende Sensoren wie PIR-Sensoren in Bereitschaft sind, und nur bei Bedarf besonders genaue aber verbrauchsintensivere Sensoren wie Lichtschranken zugeschaltet werden können.
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Die Versorgungsspannung für die aktiven Sensoren kann unabhängig voneinander optional bereits bei der Bestückung der Platine während der Herstellung beispielsweise zwischen 3,3V und 5V auf der unteren Platinenebene festgelegt werden, oder aber in einer anderen Bestückungsvariante auf der oberen Platinenebene, welche auch nachträglich durch Abnehmen des Gehäusedeckels zugänglich ist. Hierbei kann nun durch eine weitere Bestückungsvariante ausgewählt werden, ob hier eine Auswahl der Versorgungsspannung durch Setzen einer Steckbrücke (im folgenden Jumper genannt) erfolgt, oder aber für besonders Einfache Auswahl durch auf der Platine bestückte Schiebeschalter.
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Die Platine ist dabei durch entsprechende Beschriftung derart gestaltet, dass sowohl die jeweils gewählte Versorgungsspannung durch Jumper oder durch Schiebeschalter bei geöffnetem Gehäusedeckel sichtbar ist. Zusätzlich ist im bei geschlossenem Gehäusedeckel sichtbaren Platinenbereich eine Beschriftung angebracht, die eine Markierung der jeweils eingestellten Versorgungsspannung für die aktiven Sensoren mittels Stift oder Kratzmarkierung erlaubt. Eine Anzeige der jeweiligen Zustände der Sensoren über LEDs kann durch Anpassung der oberen Platinenebene integriert werden.
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Noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Erweiterungsmoduls ist ein nachfoldend als ModemBox bezeichnetes Modul. Die ModemBox ist ein modularer Baustein, der beispielsweise zur Aufnahme eines Kommunikationsmoduls beispielsweise für eine GSM-Verbindung dient, und den Zweck hat dem Hauptmodul 100 eine Erweiterung um ein Mobilfunk-Modem 214 zur Verfügung zu stellen, sodass diese eine Internetverbindung nicht nur über WiFi/WLAN sondern auch oder nur über das Mobilfunknetz aufbauen kann.
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4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems 1 mit einem Hauptmodul 100, zumindest zwei Erweiterungsmodulen 200 und einem Server 30. Das Hauptmodul 100 weist zumindest eine Kommunikationsschnittstelle 110 und eine Verbindungsschnittstelle 102 auf. Die zumindest beiden Erweiterungsmodule 200 weisen zumindest jeweils zwei Verbindungsschnittstellen 202 auf. Ein erstes Erweiterungsmodul ist dabei an der einen Verbindungsschnittstelle 202 über eine Verbindungskomponente 300 mit der Verbindungsschnittstelle 102 des Hauptmoduls 100 verbunden und ein zweites Erweiterungsmodul 200 ist mit einer seiner beiden Verbindungsschnittstellen 202 über eine weitere Verbindungskomponente 300 mit der zweiten Verbindungsschnittstelle 202 des ersten Erweiterungsmoduls 200 verbunden. Die Kommunikationsschnittstelle 110 des Hauptmoduls ist über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einem Server 30, insbesondere einem Cloud-Server, verbunden.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems 1 mit einem Hauptmodul 100, zumindest vier Erweiterungsmodulen 200 und einem Server 30. Das Hauptmodul 100 weist zumindest eine Kommunikationsschnittstelle 110 und eine Verbindungsschnittstelle 102 auf. Die zumindest vier Erweiterungsmodule 200 weisen zumindest jeweils zwei Verbindungsschnittstellen 202 auf.
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Ein erstes Erweiterungsmodul ist dabei an der einen Verbindungsschnittstelle 202 über eine Verbindungskomponente 300 mit der Verbindungsschnittstelle 102 des Hauptmoduls 100 verbunden. Das erste Erweiterungsmodul weist eine Netzwerkeinheit 212 auf, mit der ein drahtloses Netzwerk 24, insbesondere LoRa, ZigBee oder SigFox, aufgebaut werden kann. Die weiteren Erweiterungsmodule 200 weisen jeweils eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 210, über die die Erweiterungsmodule 200 mit dem drahtlosen Netzwerk 24 verbindbar sind.
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Das Ausführungsbeispiel in 5 zeigt drei Erweiterungsmodule 200, die jeweils mit dem drahtlosen Netzwerk 24 über jeweils die drahtlose Kommunikationsschnittstelle 210 verbindbar sind. Hierzu ist anzumerken, dass die Zahl der mit dem drahtlosen Netzwerk 24 verbundenen Erweiterungsmodule 200 nicht auf drei Erweiterungsmodule beschränkt ist. Es können auch lediglich ein Erweiterungsmodul 200, zwei Erweiterungsmodule 200 oder beliebig viele Erweiterungsmodule 200 mit dem drahtlosen Netzwerk 24 verbunden werden.
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Weiterhin ist denkbar, dass nicht nur ein Erweiterungsmodul 200 mit dem Hauptmodul 100 kabelgebunden, also über die Verbindungskomponente 300, verbunden ist. Zumindest ein weiteres Erweiterungsmodul 200 kann also an das mit dem Hauptmodul 100 über die Verbindungskomponente verbundene Erweiterungsmodul 200 über eine weitere Verbindungskomponente 300 angeschlossen werden. Hierbei ist nur von Bedeutung, dass eines der Erweiterungskomponenten 200, die kabelgebunden in der loT-Vorrichtung verbunden sind, eine Netzwerkeinheit 212 aufweist, die ausgestaltet ist, das drahtlose Netzwerk 24, insbesondere LoRa, ZigBee oder SigFox, aufzubauen.
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Zudem ist es möglich an ein Erweiterungsmodul 200, das über das drahtlose Netzwerk 24 in der loT-Vorrichtung verbunden ist, zumindest ein weiteres Erweiterungsmodul 200 über eine Verbindungskomponente 300 anzuschließen. Des Weiteren ist die Kommunikationsschnittstelle 110 des Hauptmoduls über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit einem Server 30, insbesondere einem Cloud-Server, verbunden.
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Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Verbindung zu dem Server 30 auch über ein GSM/Sat-Modul anstelle von WiFi. D.h. das Hauptmodul 100 würde durch eine Kommunikationsvorrichtung für GSM/WiFi (analog zu 6, vgl. unten) mit dem Server 30 kommunizieren.Es geht grundsätzlich darum, dass LoRa/SigFox/etc. getrennt von dem „upstream“ zu betrachten ist. Upstream ist dabei die Kommunikation, die in Richtung des Servers 30 erfolgen kann, während das Sensornetz über das drahtlose Netzwerk 24 ein separates Netz aufbaut.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen loT-Systems 1 mit einem Hauptmodul 100, zumindest zwei Erweiterungsmodulen 200 und einem Server 30. Das Hauptmodul 100 weist zumindest eine Kommunikationsschnittstelle 110 und eine Verbindungsschnittstelle 102 auf. Die zumindest beiden Erweiterungsmodule 200 weisen zumindest jeweils zwei Verbindungsschnittstellen 202 auf. Ein erstes Erweiterungsmodul ist dabei an der einen Verbindungsschnittstelle 202 über eine Verbindungskomponente 300 mit der Verbindungsschnittstelle 102 des Hauptmoduls 100 verbunden und ein zweites Erweiterungsmodul 200 ist mit einer seiner beiden Verbindungsschnittstellen 202 über eine weitere Verbindungskomponente 300 mit der zweiten Verbindungsschnittstelle 202 des ersten Erweiterungsmoduls 200 verbunden. Eines der Erweiterungsmodule 200 weist eine Mobilfunk- und/oder Satellitenkomponente 214 auf, über die ein Kontakt mit einem Mobilfunknetz 50 und/oder einem Satelliten 40 aufgebaut werden kann. Über das Mobilfunknetz 50 oder den Satelliten 40 kann dann mit dem Server 30, insbesondere einem Cloud-Server, kommuniziert werden. Die Verbindung über das Mobilfunknetz 50 und/oder den Satelliten 40 wird der loT-Vorrichtung, insbesondere dem Hauptmodul 100, über dieVerbindungskomponente 300 zur Verfügung gestellt. Somit können Daten mit dem Server ausgetauscht werden ohne dass das Hauptmodul 100 über die Kommunikationsschnittstelle 110 über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit dem Server 30 verbunden ist. Ebenso ist es natürlich möglich, dass das Hauptmodul 100 über die Kommunikationsschnittstelle 110 über eine drahtlose Kommunikationsverbindung ebenfalls mit dem Server 30 verbunden ist und kommunizieren kann.
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7A bis 7C zeigen eine erfindungsgemäß gefertigte elektronische Platine 1000 (2000) mit Sollbruchstellen 1100 (2100) in verschiedenen Stadien des Zusammenbaus. Die Bezugszeichen ohne Klammern beziehen sich dabei auf eine elektronische Platine eines Hauptmoduls und die Bezugszeichen in Klammern beziehen sich auf eine elektronische Platine eines Erweiterungsmoduls. Beide Bezugszeichen sind jedoch austauschbar verwendbar.
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7A zeigt eine elektronische Platine 1000 (2000) in Form einer gefertigten Einzelplatine. Im Design sind Sollbruchstellen eingebracht, so dass sich die Einzelplatine so teilen lässt, dass eine in zwei Ebenen zusammensteckbare Baugruppe zum Einbau in ein Gehäuse entsteht. Ein erstes Bauteil 1002 (2002) ist mit einem zweiten Bauteil 1004 (2004) über Verbindungsstücke 1010, 1020 (2010, 2020) verbunden. Zwischen dem ersten Bauteil 1002 (2002), dem zweiten Bauteil 1004 (2004) und den Verbindungsstücken 1010, 1020 (2010, 2020) sind erfindungsgemäß Sollbruchstellen 1100 (2100) eingebracht. Durch Heraustrennen der beiden Verbindungsstücke 1010, 1020 (2010, 2020) an den Sollbruchstellen 1100 (2100) wird das erste Bauteil 1002 (2002) vom zweiten Bauteil 1004 (2004) getrennt. In dem Ausführungsbeispiel in 7A kann die elektronische Platine somit in vier Teile, also zwei Teilplatinen (erstes Bauteil 1002 (2002) und zweites Bauteil 1004 (2004)), und zwei Verbindungsstücke geteilt werden. Eine davon abweichende Aufteilung der Sollbruchstellen, die auf dem individuellen Design der elektronischen Platine basiert, ist ebenfalls denkbar.
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Die herauszutrennenden Verbindungsstücke 1010, 1020 (2010, 2020) sind so geformt, dass sie zum Positionieren der Platinen im Gehäuse dienen können, indem sie sich durch Lötverbindungen oder insbesondere durch die vorgesehene Verwendung von Plastiknieten mit den beiden Teilplatinen verbinden lassen.
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7B zeigt eine perspektivische Ansicht der zusammengesetzten Baugruppe aus dem ersten Bauteil 1002 (2002), den beiden Verbindungsstücken 1010, 1020 (2010, 2020) und dem zweiten Bauteil 1004 (2004). Die Verbindungsstücke 1010, 1020 (2010, 2020) fungieren dabei als Abstandshalter zwischen dem ersten Bauteil 1002 (2002) und dem zweiten Bauteil 1004 (2004).
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7C zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß gefertigten elektrischen Platine 1000 (2000) nach dem Zusammenbau zu einer Baugruppe, wie in 7B gezeigt, in einem Gehäuse 400. Die Baugruppe ist so geformt, dass sie sich in die Führungsschiene des Gehäuses 400 einschieben lässt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zweite Bauteil 1004 (2004) so geformt, dass es sich in die Führungsschiene einschieben lässt. Diese Funktion kann in einer anderen Ausführung ebenfalls das erste Bauteil 1002 (2002) erfüllen.
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Die Umsetzung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer IoT-Vorrichtung erfolgt für alle Module, das heißt Hauptmodul 100 und Erweiterungsmodul 200, bei denen eine bestimmte Position der Platinenbaugruppe innerhalb des Gehäuses 400 vorteilhaft für die Position gegebenenfalls herauszuführender Anschlüsse wie Steckleisten/Klemmenblöcke hinsichtlich notwendigem Bearbeitungsaufwand ist. Dies bedeutet, dass durch dieses spezielle Verfahren des Platinendesigns zum Beispiel die Anschlussschnittstellen 118, 218 extern anzuschließender Sensoren und Aktuatoren gegenüber den bereits bestehenden Gehäuseöffnungen optimal positioniert sind.
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Die Ausführung der Anschlüsse ist dabei dergestalt, dass gegebenenfalls notwendige externe Anschlüsse durch entsprechende Aussparungen am Gehäuse 400 herausgeführt werden können.
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Hierbei können insbesondere die zum Anschluss individueller Sensoren oder Aktoren vorgesehenen Schraubklemmenblöcke so ausgeführt sein, dass diese vom Gehäuse beziehungsweise von der Platine abgesteckt werden können, ohne die Zuordnung beziehungsweise die Verschraubung der notwendigen Kabel zu lösen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, zu erneuernde Komponenten schnell und ohne Anschlussplan auszutauschen. Dies bringt den Vorteil, dass der Anwender beim korrekten Anschließen unterstützt wird und Beschädigungen durch falsches Anschließen vermieden werden können.
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Zusätzlich sind für die kritischen Anschlüsse Schutzmaßnahmen ins Platinendesign eingeflossen, hierzu zählen Überspannungsschutz-Maßnahmen für Eingänge sowie Strombegrenzungen beziehungsweise Sicherungen für Ausgänge.
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Die Verbindungsschnittstellen 102 (202) des Hauptmoduls 100 und Erweiterungsmoduls 200 können auch als Schnittstelle eines Bussystems, dass im Rahmen dieser Erfindung entwickelt wurde, implementiert sein.
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Das Bussystem kann eine achtadrige Schnittstelle, die zur Verbindung einzelner Module 100 (200) geeignet ist, umfassen. Das Bussystem ist so ausgelegt, dass neben Spannungsversorgung der Busteilnehmer auch ein Schlafmodus, ein Interruptkanal zur direkten Initiierung von Aktionsausführungen (sofortige Reaktion des Softwarecodes außerhalb der normalen Loop-Ausführungsschleife) sowie eine Möglichkeit zum zurücksetzen (Reset) der Busteilnehmer implementiert sind.
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Für die Datenübertragung können zwei weitere Datenbussysteme integriert werden: der 12C-Bus-Standard sowie der 1-Wire-Bus. Beide Datenbussysteme sind mit der Steuerungseinheit 112 (CPU) des Hauptmoduls verbunden, und können einzeln oder gemeinsam von je einer oder mehreren angeschlossenen Busteilnehmern für die Kommunikation verwendet werden. Durch die gesonderte Interrupt-Leitung können interruptbasierte Aktionen für einen oder beide Datenbuskanäle des Bussystems implementiert werden.
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Der Sleepkanal ist zudem so ausgebildet, dass hierüber auch Sensoren versorgt werden können, ohne eigene Spannungsumsetzer zu benötigen. Dies ermöglicht besonders einfachen Aufbau kleiner Sensorsysteme. Für den 1-Wire-Bus besteht die Spezifikation, dass Sensoren direkt über die 1-Wire-Datenleitung versorgt werden können, sodass 1-Wire-Sensoren mit nur zwei Adern angeschlossen werden können (Masse + Datenader).
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Durch die Ausbildung des Bussystems als serieller Bus können I2C-Devices wie auch 1-Wire-devices an jedem Busteilnehmer implementiert werden. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, das Hauptmodul auch einzeln (standalone) zu betreiben und hier beispielsweise 1-Wire-Sensoren anzuschließen, ohne dass weitere Boxen notwendig werden.
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Die Spannungsversorgung des hier entwickelten Bussystems ist zudem abschaltbar, sodass neben der Möglichkeit einzelne Busteilnehmer in den Schlafmodus zu versetzen auch die Möglichkeit besteht den gesamten Bus stromlos zu schalten. Dies ist besonders für batteriebetriebene Anwendungen wichtig, um maximale Stromeinsparung zu erreichen. Die Spannungsversorgung des Bussystems ist so ausgebildet, dass einzelne Teilnehmer ihre Versorgungsspannung selbst heruntertransformieren können, das heißt die Busspannung ist mit 12-16V deutlich höher als die typischerweise verwendeten 3,3V für die Busteilnehmer. Hierdurch wird der Strom durch den Bus wegen der höheren Spannung reduziert, sodass die Belastung der Leitungen und Streckverbinder reduziert wird.
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Im Gegensatz zu einer Busspannung die der Versorgungsspannung entspricht, kann hierdurch zudem vermieden werden, dass Spannungsschwankungen oder veränderliche Übergangswiderstände Einfluss auf die interne Versorgungsspannung der Busteilnehmer haben. Hierdurch kann eine deutlich erhöhte Systemstabilität gegen Störungen erreicht werden.
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Die Verbindung der Busteilnehmer kann über verschiedene Stecker- bzw. Kabelsysteme erfolgen, vorteilhafte Ausprägung ist zum Beispiel die Verwendung von RJ45-Buchsen und geschirmten CAT-Kabeln, wie sie vielfach für Netzwerkverbindungen Verwendet werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines günstigen Preises und hoher Verfügbarkeit verschiedener Kabellängen.
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Die interne Spannungsversorgung des Hauptmoduls weist eine weitere Besonderheit auf, die zur Optimierung der Energieeffizienz im sleep-Modus wie auch im Betrieb dient.
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Die Versorgungsspannung sowie als auch die Quelle der Versorgungsspannung können per Software umgeschaltet werden. Für den deepsleep-Modus (auch deepsleep, Tiefschlafzustand) kann ein Low-dropout-Linearregler mit einer Ausgangsspannung von 3,0V zum Einsatz kommen, parallel zu diesem kann ein Step-down-Converter geschaltet sein, der eine Ausgangsspannung zwischen 3,3 und 3,6V zur Verfügung stellt. Dieser kann über die Software aktiviert und deaktiviert werden.
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Ist der Step-down-Converter aktiviert, steigt also die Versorgungsspannung an, wodurch eine technische Besonderheit der Linearregler zum Tragen kommt: diese regeln dann nicht mehr und sind somit inaktiv. Der Step-down-Converter übernimmt also komplett die Versorgung solange er aktiv ist; wird er deaktiviert übernimmt unterbrechungsfrei der Linearregler, im aktiven Betrieb hingegen der hier viel effizientere Step-down-Converter. Der Step-down-Converter ermöglicht somit einen stromsparenden Betrieb.
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Das Umschalten kann im aktiven Betriebsmodus zur Laufzeit erfolgen, das heißt beim Starten des Systems, beziehungsweise beim Aufwachen aus dem deepsleep wird der Step-down-Converter aktiviert, beim Eintritt in den deepsleep deaktiviert. Hierdurch können die Vorteile beider Spannungswandelnden Systeme kombiniert werden.
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Das Aufwachen aus dem deepsleep ist durch ein besonderes Hardwaredesign frei konfigurierbar. Das System kann rein über Software gesteuert ohne Anpassung der angeschlossenen Leitungen folgende Varianten abbilden:
- Deaktivierung der CPU (also deepsleep-Modus),
- - bis zur Trennung der Versorgungsspannung und erneutem Verbinden (=sleep forever)
- - bis ein beliebig konfigurierbarer Sensoreingang aktiviert oder geändert wird, hierbei kann auf einen, alle oder bestimmte über Software wählbare Sensoreingänge getriggert werden
- - bis ein Anruf oder eine SMS eintrifft
- - bis zum Ablauf einer frei einstellbaren Zeitspanne Beim Eintritt eines der möglichen oben konfigurierten Ereignisse wacht das System aus dem deepsleep auf - sofern diese Ereignisse als Aufwachgrund konfiguriert sind.
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Zudem kann neben der Konfiguration der Eingänge auch der Zustand der Ausgänge und Spannungsversorgungen für z.B. Mobilfunk-Modem sowie auch der LEDs der einzelnen Module während des deepsleep-Modus eingefroren werden, sodass trotz deepsleep der CPU die Funktion bis zum Eintreffen eines konfigurierten Ereignisses erhalten bleibt.
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Hierdurch kann ein batteriesparender Modus erreicht werden, indem beispielsweise Ausgänge geschaltet bleiben obwohl die CPU inaktiv ist, durch die weiter unten beschriebene konfigurierbare Hardware-Weckfunktion kann bei Eintreffen eines Ereignisses dennoch direkt darauf reagiert werden.
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Eine beispielhafte Anwendung könnte sein: Ladesteuerung bei Solaranlagen -während des Ladens muss zur Überwachung der Ladespannung das System nicht aktiv sein, erst bei Erreichen einer definierten Ladespannung wacht das System auf, überprüft die exakten Werte und deaktiviert die Ladung.
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Eine weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen loT-Vorrichtung 10 ist beispielsweise die hardwareseitige Umsetzung des deepsleep-Modus für den ESP8266 (Haupt-CPU des Systems), die in der Ausführung gegenüber bestehenden Umsetzungen erhebliche Unterschiede aufweist.
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Gängig ist eine Kopplung des Wakeup-Pins des Chips mit dessen Reset-Pin. Dieses Referenzdesign ist vom Chiphersteller so vorgesehen; hierdurch kann der RTC(real-Time-clock) nach Ablauf eines Timers durch ein kurzes low-Signal auf dem Reset-Pin einen zeitgesteuerten Neustart aus dem deepsleep-Modus auslösen. Gängige Anpassungen dieser Schaltung sind beispielsweise die Parallelschaltung eines Tasters oder eines Sensors, durch die dann ebenfalls ein Neustart ausgelöst werden kann. Ein Problem einer solchen Umsetzung ist jedoch, dass bei einer erneuten Betätigung bzw. Auslösung des Sensors zur Laufzeit des Systems ebenfalls ein Reset ausgelöst würde.
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In der hier vorliegenden Umsetzung wird durch den Einsatz eines NOR-Gatters eine bedarfsselektive Auswahl aktiver Reset-auslösender Quellen erreicht. Da der ESP8266-Chip im deepsleep-Modus jedoch seine Pinzustände nicht erhalten kann, könnte die Ansteuerung bzw. Konfiguration des NOR-Gatters nur im aktiven Zustand erhalten bleiben. Um dieser Besonderheit gerecht zu werden, kann die Ansteuerung des NOR-Gatters über einen MCP23017 Portexpander erfolgen, der die Eigenschaft hat seine Zustände auch zu erhalten, während der ihn kontrollierende Microcontroller inaktiv ist, sich also im deepsleep-Modus befindet.
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Der Portexpander MCP23017 geht bei inaktivem I2C-Bus selbst auch in einen sleep-Modus, in dem sein Stromverbrauch abgesehen von den ggfs. An aktivierten Ausgängen angeschlossenen Verbrauchern auf einen Wert im Microampere-Bereich absinkt.
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In den Ansprüchen schließen die Wörter „aufweisen“ und „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
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Eine einzelne Einheit oder Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer Elemente durchführen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die Tatsache, dass einzelne Funktionen und Elemente in unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind bedeutet nicht, dass nicht auch eine Kombination dieser Funktionen und Elemente vorteilhaft verwendet werden könnte.