Archived
68 lines
13 KiB
TeX
68 lines
13 KiB
TeX
\chapter{Hardwareauswahl}
|
|
\label{cha:Hardwareauswahl}
|
|
Dieses Kapitel widmet sich der Auswahl passender Komponenten für die Basisstation und der Erweiterung des Rovers. Die zu installierende Basisstation soll fortan dauerhaft betrieben werden. Deshalb muss diese wie in den Anforderungen beschrieben (siehe Abschnitt \ref{sec:referenzstation_req}) unabhängig von anderen Teilen dieser Arbeit funktionsfähig sein und den Witterungsbedingungen an dem Installationsort standhalten.
|
|
\par
|
|
Bei einer Begutachtung des Installationsortes mit dem Personal des Gebäudemanagements wurde die Installation entsprechend der Abbildung \ref{fig:dach_vorher} vorgefunden. Da der verbleibende Raum in dem vorhandenen Installationskasten voraussichtlich nicht für die Installation des gesamten Systems der Referenzstation ausreichend ist, wurde die mündliche Genehmigung erteilt, einen weiteren Installationskasten unter dem bereits vorhanden zu installieren. Um die passende Halterung für einen weiteren Kasten bestimmen zu können, wurde der Durchmesser des Pfostens mit \(90 mm\) festgehalten. Weiterhin wurde über die Position der Antenne gesprochen, das Problem lag darin, dass durch die Luftschächte der Klimatisierung die Antenne zu Teilen vom Himmel abgeschattet wäre, wenn diese direkt an dem vorhandenen Pfosten angebracht würde. Deshalb wurde sich auf darauf geeinigt, dass der Pfosten bis auf die Höhe der Luftschächte mittels eines C-Profils verlängert werden darf. Es wurde vorgeschlagen, das Profil an der bereits vorhanden Halterung des Treibers für die Richtfunkantenne zu befestigen.
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=0.7\linewidth]{img/dach_vorher.jpg}
|
|
\caption{LoRaWan-Gateway Installation - Bestand}
|
|
\label{fig:dach_vorher}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\section{Computer}
|
|
\label{sec:computer}
|
|
Als Server wurde ein PicoSYS 2880 Embedded-PC der Firma Hanzsung mit den folgenden Gehäuseabmessungen 61 mm x 142 mm x 126 mm (hxbxt) ausgewählt. Dieser wird mit einem Intel Celeron J4105 als Prozessor und 4 GB Arbeitsspeicher ausgeliefert. Als Schnittstellen stehen USB 2.0 und USB 3.2 Gen 1 sowie RS232, RJ-45 Ethernet, PS2, VGA und HDMI zur Verfügung. Der Computer wird mit einem externen Netzteil mit 12V versorgt, welches über ein Hohlbuchse mit dem Computer verbunden wird. Da der Computer nur über die Buchse mit Strom versorgt werden kann und nicht über den gewünschten PoE-Anschluss verfügt, muss dieser über einen PoE-Splitter mit Strom versorgt werden. Durch die Gegebenheiten muss die Stromaufnahme ins Gesamtsystem passen und daher bekannt sein. Der Verkaufsseite \cite[]{server} kann nur entnommen werden, dass das mitgelieferte Netzteil eine Ausgangsleistung von \(60W\) hat. Da der verbaute Prozessor mit einer Verlustleistung von \(10W\) angegeben wird, scheint das Netzteil überdimensioniert zu sein und gibt keinen Aufschluss über den tatsächlichen Energiebedarf. Daher wurde der Computer an einem Labornetzteil angeschlossen, um die Leistungsaufnahme zu messen. Zuvor wurde jedoch der Turbo-Modus des Prozessors, bei welchem die Taktfrequenz von \(1,5GHz\) auf bis zu \(2,5GHz\) angehoben werden kann, deaktiviert. Die Mehrleistung des Prozessors durch diese Technologie wird für den Anwendungsfall nicht benötigt. Während der Messung wurde über das Terminal ein Programm zum Stressen der Hardware ausgeführt. Die CPU Auslastung wurde durch ein weiteres Programm beobachtet und lag durchgehend beim Maximum. Zusätzlich wurde das GNSS-Modul angeschlossen und die aktive Antenne an das GNSS-Modul, um auch diesen Verbraucher in die Messung einbeziehen zu können. Unter Volllast wurde bei \(12V\) ein Strom von \(0,6A\) gemessen, dies entspricht einer Leistung von \(7,2W\). Auch unter Beachtung von Messtoleranzen kann somit von einer Leistungsaufnahme unter \(10W\) ausgegangen werden, die durch den PoE-Splitter erbracht werden muss. Auf der Rückseite des Computers befinden sich verschiedene Befestigungslöcher, mit welchen sich auch die Montage an einer Wand ausführen lässt. Der Betriebstemperaturbereich wird mit \(-10^\circ C\) bis \(60^\circ C\) angegeben. Die Installation des Computers muss in einem vor der Witterung geschützten Bereich erfolgen. Der Computer ist in Abbildung \ref{fig:vorbereitetKasten} zu sehen.
|
|
|
|
\section{PoE-Hardware}
|
|
\label{sec:PoE-Hardware}
|
|
Das vorhandene Netzwerkkabel mit angelegtem PoE++ wird bereits von dem erwähnten LoRaWan-Gateway genutzt, weshalb die folgenden beiden Komponenten benötigt werden, um beiden Installationen Strom zuzuführen und eine Netzwerkverbindung bereitzustellen.
|
|
|
|
\subsection{PoE-Extender}
|
|
Der gewählte Extender kann als Ethernet-Switch betrachtet werden, der sich selbst über die Stromversorgung des PoE-Kabels am Eingang versorgt und gleichzeitig zwei Ausgangsports bietet, an denen auch PoE anliegt. Die Leistung wird dabei zwischen den beiden Ports aufgeteilt, sodass es sich nach der Aufteilung nur noch um PoE+ Ports handelt. Die verfügbare Leistung je Port würde somit \(30W\) betragen, dies stellt die Versorgung der vorhanden Installation sicher, da im Datenblatt des LoRaWAN Gateways \cite[]{lorawangateway} eine Stromaufnahme von unter \(10W\) aufgeführt wird.
|
|
\par
|
|
Bei dem ausgewählten Gerät handelt es sich um das Modell TI-BE200 von der Firma TRENDnet, welches im Datenblatt als \glqq Industrieller 2-Port Gigabit PoE++ Extender für den Außenbereich\grqq \cite[]{poeextender} bezeichnet wird. Des Weiteren wird die Schutzklasse IP67 und ein Betriebstemperaturbereich von \(-40^\circ C\) bis \(75^\circ C\) angegeben. Das Gehäuse verfügt über Löcher für eine Wandmontage. Für die Montage müssen diese Abmessungen beachtet werden 44 mm x 74 mm x 167 mm (hxbxt). Die Abbildung \ref{fig:poeextenderkasten} zeigt den installierten PoE-Extender.
|
|
|
|
\subsection{PoE-Splitter}
|
|
Ein PoE-Splitter stellt ein Netzteil für nicht PoE-fähige Geräte dar. Dazu wird die Energieversorgung des PoE-Kabels genutzt, um eine gängige Spannung über einen Terminalblock oder ähnlichem auszugeben. Zusätzlich stellt ein Splitter, die eine Netzwerkverbindung ohne PoE zur Verfügung.
|
|
\par
|
|
Ausgesucht wurde das Gerät EX-60326 von der Firma Exsys \cite[]{poesplitter}. Der Splitter kann einen Betriebstemperaturbereich von \(-40^\circ C\) bis \(80^\circ C\) aufweisen. Da allerdings keine Schutzklasse nach IP gegeben ist, muss der Splitter zwingend in einem zusätzlichen Gehäuse verbaut werden. Für die Montage wird eine vormontierte Hutschienenhalterung angeboten und als Alternative eine Platte zur Wandmontage. Die Gleichspannung am Ausgang mit Klemmverschraubungen beträgt \(12V\) und ist auf \(3A\) beziehungsweise \(36W\) beschränkt. Bei der Verwendung in der angestrebten Installation wird die Leistung weiter dadurch begrenzt, dass über das eingehende PoE-Kabel lediglich \(30W\) zur Verfügung stehen. Es besteht jedoch eine ausreichend hohe Differenz zwischen der benötigen und der verfügbaren Leistung, da wie in Abschnitt \ref{sec:computer} beschrieben die maximale Leistungsaufnahme des Computers \(10W\) nicht überschreitet. Der PoE-Splitter ist auf der Abbildung \ref{fig:vorbereitetKasten} ganz links zu sehen.
|
|
|
|
\section{GNSS-Hardware}
|
|
\label{sec:GNSS-Hardware}
|
|
Da der Rover bereits mit einem GNSS-Modul und einer passenden Antenne ausgestattet ist, muss lediglich für die Basisstation weitere Hardware angeschafft werden. Dabei ist zu beachten, dass nicht die gleiche Hardware wie die des Rovers verwendet werden kann, weil das GNSS-Modul ZED-F9K lediglich Korrekturdaten für die eigene Positionsbestimmung verarbeiten und keine Korrekturdaten für andere GNSS-Module erzeugen kann.
|
|
|
|
\subsubsection{GNSS-Modul}
|
|
Für die Basisstation wurde ein Modul aus der gleichen Produktfamilie gewählt. Die Bezeichnungen unterscheiden sich nur durch das letzte Zeichen. Der u-blox Chip ZED-F9P \cite[]{zed-f9p} kann die benötigten Korrekturdaten erzeugen. Für die Integration in das Gesamtsystem wurde das von SparkFun \cite[]{sparkZedf9p} kreierte Entwicklungsboard mit dem ZED-F9P ausgewählt. Dieses verfügt, ähnlich wie das GNSS-Board des Rovers, über einen USB-C-Anschluss, Stiftleisten unter anderem mit I2C, SPI und zwei Serial Ports sowie einer SMA-Buchse für den Anschluss der GNSS-Antenne. Außerdem zeigen auf dem Board angebrachte LEDs an, ob Positionsbestimmung zurzeit möglich ist und ob RTK verwendet wird. Der Betriebstemperaturbereich des ZED-F9P reicht von \(-40^\circ C\) bis \(85^\circ C\).
|
|
\par
|
|
Ausschlaggebenden für die Auswahl dieses, in Abbildung \ref{fig:zedf9p} gezeigten, Moduls war die einfache Verbindung des Moduls über USB-C mit dem Computer, den passenden Betriebstemperaturbereich und die bereits bekannte Software der Produktfamilie zur Konfiguration des Moduls.
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/zed-f9p.jpg}
|
|
\caption{Das verbaute GNSS Modul von SparkFun mit dem ZED-F9P \protect\footnote[2]{GPS-RTK-SMA Breakout von Sparkfun, lizenziert unter [CC BY 2.0] \url{https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode.en}, abgerufen von \url{https://www.sparkfun.com/products/16481}}}
|
|
\label{fig:zedf9p}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\subsubsection{GNSS-Antenne}
|
|
Bei der gewählten Antenne, welche in Abbildung \ref{fig:antenneDach} zu sehen ist, handelt es sich um das Modell JCA228F von der Firma Jinchang Electron \cite[]{antenneDach}. Diese wird als GNSS Multi-Band Surveying Antenne vermarktet und eignet sich besonders für den stationären Einsatz als Referenzstation. Die Antenne erfüllt die Anforderungen der IP 67 Schutzklasse und ist zusätzlich mit dem Betriebstemperaturbereich von \(-40^\circ C\) bis \(85^\circ C\) für ganzjährigen ungeschützten Einsatz im Freien geeignet. Da es sich um eine aktive Antenne handelt, wird diese über das GNSS-Modul mit Strom versorgt. Dabei sind Gleichspannungen von \(3V - 12V\) zulässig. Die Stromaufnahme wird mit kleiner gleich \(50mA\) angegeben. Es werden alle Frequenzbänder der aktuellen GNSS unterstützt. Die Montage erfolgt, in dem die Antenne auf eine \(\frac{5}{8}\) Zoll Schraube mit 11 Gewindegängen pro Zoll nach dem amerikanischen UNC (5/8''-11UNC) Standard aufgeschraubt wird. An der Antenne befindet sich eine TNC-Buchse zur Verbindung mit dem GNSS-Modul, da sich die Anschlüsse unterscheiden braucht es ein Adapterkabel, welches mit einem TNC-Stecker und einem SMA-Stecker endet. Das erworbene Antennenkabel weist eine Länge von \(2,5m\) auf.
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[width=0.5\linewidth]{img/antenneDach.jpg}
|
|
\caption{Seitliche Ansicht auf die Antenne}
|
|
\label{fig:antenneDach}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\section{Installationskasten}
|
|
Für Installation der nicht wasserfesten Komponenten wird ein Installationskasten benötigt, um diese zu schützen. Für ein einheitlicheres Bild wurde ein Kasten von derselben Firma, wie der vorhandene gewählt. Allerdings wurde für günstigere Temperaturen in dem Kasten die helle Ausführung gewählt. Bei dem Installationskasten handelt es sich um den \texttt{KF 5000 H} von der Firma Hensel. Laut des Datenblatts \cite{kasten} verfügt dieser über die Schutzklassen IP66, TP67 und IP69. Unter dem Punkt Umgebungsbedingungen wird als Einsatzgebiet die ungeschützte Installation genannt, dabei ist die Umgebungstemperatur von \(-25^\circ C\) bis \(70^\circ C\) angegeben. Als Ausnahme wird die maximale Umgebungstemperatur über 24 Stunden mit \(55^\circ C\) angegeben. Durch diese Eigenschaften ist der Kasten für die Dachinstallation geeignet.
|
|
\par
|
|
Die Innenmaße bieten bei einer hochkantigen Ausrichtung einen Installationsraum von 320x215x106mm (hxbxt). Somit lassen sich der Computer, der PoE-Splitter und das GNSS-Modul nebeneinander platzieren. Die Montage soll auf einer Hutschiene stattfinden, die dem Kasten noch hinzugefügt wird. Außerdem müssen für den Computer und das GNSS-Modul entsprechende Halterungen geschaffen werden.
|
|
|
|
\section{Gyroskop}
|
|
\label{sec:gyroskop}
|
|
Die Anforderung ein Gyroskop zu integrieren soll durch das GY-521 Modul \cite[]{gyroskop} von AZ-Delivery erfüllt werden. Auf dem Modul ist ein Chip mit der Bezeichnung MPU-6050 aufgelötet. Dieser vereinigt einen 3-Achsen Gyroskop und eine 3-Achsen Beschleunigungssensor. Das Gyroskop kann auf den Bereich der erwarteten Winkelgeschwindigkeiten eingestellt werden, diese reichen von \(\pm 250^\circ/sec\) bis \(\pm 2000^\circ/sec\). Der Beschleunigungssensor ist ebenfalls anpassbar, von \(\pm 2g\) bis \(\pm 16g\). Die analogen Werte der Sensoren werden mit 16-Bit ADC digitalisiert. Des Weiteren verfügt der MPU-6050 über einen Digital Motion Processor (DMP), dieser kann zu den vom Sensor erzeugten 6-Achsen zusätzlich die 3-Achsen von einem extern über I2C angeschlossenen Magnetometer verrechnen. Die Daten, welche durch diese Sensorfusion entstehen, erhöhen die Genauigkeit, ergeben ein Zugewinn an Information bezüglich der Ausrichtung des Chips und erlauben es dem Nutzer diese zentral abzurufen.
|
|
\par
|
|
Die Kommunikation findet über I2C statt. Dies ermöglicht die Einbindung des Sensors in das bestehende System. Durch das Board von AZ-Delivery ist eine Versorgung mit der gegebenen Spannung von \(5V\) möglich. Der bereits verbaute Kompass könnte vom ESP32 getrennt und an das GY-521 Modul angeschlossen werden.
|