Dieser Artikel wurde von Raphael Pohland von BlueRange geschrieben.
Meine Großmutter ist eine begeisterte Gärtnerin. Nach einigen besonders kalten Tagen und Nächten fragte sie sich, wie kalt es in ihrem Gewächshaus tatsächlich geworden ist. Als sie mit mir über ihre Sorgen um ihre geliebten Pflanzen sprach, dachte ich sofort an den RuuviTag: die All-in-one-Open-Source-Hardwarelösung für batteriebetriebene Sensor-Beacons. Zusammen mit der Ruuvi Station App, die die Sensordaten direkt auf ihrem Smartphone jederzeit griffbereit macht, klang das nach einem guten Plan, um sich um ihre Pflanzen zu kümmern.
Also haben wir einen RuuviTag im Gewächshaus platziert und aus Neugier auch einen in der Garage und einen auf dem Dachboden. Leider reichte das Signal aus dem Gewächshaus nicht bis zu ihrem Schreibtisch oder zum Sofa im Wohnzimmer – vermutlich, weil die Entfernung zum Gewächshaus so groß ist und das Haus dicke Betonwände hat. Die anderen RuuviTags aktualisierten ihre Sensordaten auf ihrem Handy jedoch fröhlich weiter.
Bring sie zum Reden!
Eine Lösung wäre, dass sie zum Gewächshaus geht und einen Moment wartet, bis die Sensormessung ankommt, aber … das wirkt auf mich nicht besonders nutzerfreundlich. Wir könnten das Ruuvi Gateway – ein weiteres Produkt von Ruuvi – in Reichweite des RuuviTags im Gewächshaus platzieren, die Sensordaten an eine Logging-Plattform weiterleiten und daraus eine schöne Historie bekommen. Aber leider hatten wir kein Gateway zur Hand.
Vielleicht könnten die Sensoren also Daten untereinander austauschen – und da ich gerade als Software Engineer bei BlueRange bei MWAY angefangen hatte, wusste ich genau, wie wir das hinbekommen: FruityMesh, das energieeffiziente Mesh-Netzwerk auf Basis von Bluetooth-Low-Energy-4.1-Verbindungen. Damit können mehrere Nodes automatisch ein Mesh-Netzwerk bilden, das das Senden von Daten von einem Node zum anderen ermöglicht – unabhängig von ihrem physischen Standort.
Der RuuviTag integriert den Temperatur-, Feuchte- und Drucksensor BME280 von Bosch Sensortec. Wenn eine Sensormessung auf einem Node durchgeführt wird, senden wir sie an alle anderen Nodes im Mesh-Netzwerk und stellen sie für das Broadcasting in dem Format bereit, das die Ruuvi Station App erwartet. Indem wir die Nodes zu Proxys füreinander machen, können wir die Sensordaten aus dem Gewächshaus plötzlich über die RuuviTags in der Garage und auf dem Dachboden empfangen.
Das Senden der Daten erfolgt über eine spezielle Funktion des SoftDevice, konkret die Radio Timeslot API, die es der Firmware ermöglicht, den direkten Zugriff auf das Funk-Peripheriegerät kooperativ zu planen, ohne den von FruityMesh verwendeten Bluetooth-Low-Energy-Stack zu stören.
Alles zusammenfügen
Die Funktionalität auf Anwendungsebene in FruityMesh ist in Form von Modulen umgesetzt. Sie bieten persistenten Speicher für Konfigurationswerte, können mit anderen Nodes kommunizieren, indem sie die Funktion SendModuleActionMessage aufrufen, und werden über eingehende Nachrichten durch den MeshMessageReceivedHandler informiert. Auf die Peripherie und den Bluetooth-Low-Energy-Stack wird über eine Hardware-Abstraktionsschicht zugegriffen, was das Portieren einer Anwendung auf verschiedene Chipsets und Boards deutlich erleichtert. FruityMesh verwendet das nRF5 SDK 14 für nRF52832-SoCs und das SDK 15 für nRF52840-SoCs mit unterschiedlichen SoftDevices. Als Beispiel: Die unten beschriebene Implementierung kann nicht nur auf dem RuuviTag, sondern auch auf dem nRF52840-DK verwendet werden – allerdings ohne die Sensormessung.
Die benötigte Funktionalität wurde im RuuviWeatherModule implementiert. Einerseits nimmt es die Sensormessungen auf, bereitet sie auf und sendet sie per Mesh an alle anderen Nodes. Andererseits empfängt es die Messungen der anderen Mesh-Nodes, stellt sie in eine Queue und broadcastet sie schließlich im richtigen Format für die Ruuvi Station App. Dieses Modul in zwei Teile aufzuteilen, um die Single-Responsibility-Regel einzuhalten, überlassen wir unseren begeisterten Leserinnen und Lesern.
Um FruityMesh auf dem RuuviTag zu nutzen, kannst du den Anweisungen folgen, um die Firmware zu kompilieren und manuell zu flashen – achte nur darauf, das Featureset prod_ruuvi_weather_nrf52 zu verwenden. Wir prüfen aktiv, DFU und den auf deinem RuuviTag vorhandenen Bootloader zum Flashen der FruityMesh-Firmware zu nutzen, aber der Unterschied in den SoftDevice-Versionen zwischen FruityMesh und der Ruuvi-Firmware hat uns einen Strich durch die Rechnung gemacht. Aktuell hast du zwei Optionen, um die Firmware zu flashen: Entweder nutzt du das Devkit – das ist mit Abstand die einfachste Option – oder du brauchst einen SEGGER JLink, z. B. den, der auf dem nrf52-DK oder dem nrf52840-DK integriert ist (aber nicht der Dongle), sowie die nötigen Kabel, um auf den standardmäßigen 10-poligen ARM-Cortex-Debug-Connector (RuuviTag Rev. B1–B5) oder TC2030 TagConnect (RuuviTag Rev. B6–B7.1) zuzugreifen. Mehr zum Flashen findest du im Tutorial für FruityMesh.
Mit BlueRange und FruityMesh auf den RuuviTags kann meine Großmutter jetzt schnell Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftdruck auf dem Dachboden, in der Garage und im Gewächshaus im Garten vom Sofa im Wohnzimmer aus prüfen – ohne die Treppe hochgehen zu müssen, über vereiste Gartenwege, durch Regen und anderes Wetter.
Über Bluerange
Die BlueRange-Plattform von M-Way Solutions ist in erster Linie für Smart-Building-Automation und Asset-Tracking-Anwendungen konzipiert und bietet die Möglichkeit, Gebäudeinfrastruktur auf Basis umfassender Sensordaten automatisch zu überwachen und zu steuern. Darüber hinaus kann die Plattform Geräte, Material und Personal in „Echtzeit“ über drahtlose Tags tracken, die mit dem Mesh verbunden sind und von dort mit dem zentralen Management-Portal.
BlueRange wurde entwickelt, um smarte und drahtlose Gebäude möglich zu machen und die Flexibilität der Gebäudenutzung zu erhöhen. Laut dem Unternehmen ist es die ideale Technologie, um Büroräume, Produktionsstandorte, Hotels, Einkaufszentren und mehr zu digitalisieren. BlueRange verbindet Gebäude und Nutzer und ermöglicht es ihnen, Licht, Jalousien und Temperatur intuitiv über mobile Geräte zu steuern.
Bluetooth-LE-Ökosystem
BlueRange besteht aus einem Ökosystem von „BlueRange Ready“-Hardware von Drittanbietern – darunter Bluetooth-LE-Asset-Tags, Umweltsensoren, Leuchten, Schalter und HVAC-Steuerungen –, einem Open-Source-Mesh-Protokoll auf Basis von Bluetooth LE mit hohem Durchsatz sowie einem Gateway mit nRF52832-SoC zur Anbindung an einen Back-End-Server-Cluster und ein Management-Portal. Zu den „BlueRange Ready“-Komponenten gehören Geräte, die bereits mit BlueRange-Firmware vorgeflasht sind. Sie werden in Beleuchtungslösungen wie dem Vossloh-Schwabe-System „Blu2Light“, der Regent-„Lightpad“ und der Waldmann-Leuchte „Yara“ sowie in HVAC-Controllern wie dem Belparts „DXN6_B“ eingesetzt. Weitere Komponenten sind Asset-Tracking-Tags wie der „BlueRange Tag A1“, der von Enerthing betriebene „BlueRange CO2 Sensor C1“, der „BlueRange Mesh Node R2“ sowie der SoC-basierte „BlueRange USB Dongle U1“ mit nRF52840.
In einer typischen Gebäudeautomationsanwendung werden die Licht-, Bewegungs-, Temperatur- und andere Sensoren über die App „BlueRange Admin“ auf einem Bluetooth-4.0-(und neuer)-Smartphone oder -Tablet im BlueRange Mesh provisioniert. Das Open-Source-BlueRange-Mesh ist ein bidirektionales Mesh auf Basis von Scatter-Net-Logik, zeitlich gesteuert und gerichtet durch einen Algorithmus, der sich selbst findet, -wartet und -heilt. Dieses Open-Source, verbindungsbasierte Mesh-Protokoll namens FruityMesh ist auch auf GitHub verfügbar und bietet im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen einen sehr hohen Durchsatz, einen geringeren Energieverbrauch und weitere Vorteile.
Die Mesh-Nodes senden Sensordaten an das zentrale Gateway des Mesh-Netzwerks, das die Daten wiederum über standardisierte Technologien wie Representational State Transfer (REST) und Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) auf Basis von Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) an das BlueRange Portal weiterleitet. Das Portal ermöglicht es dem Nutzer, Sensordaten auf Gebäude-, Etagen- oder Einzelraumebene zu prüfen sowie Netzwerk- und Geräteverwaltungsbefehle auszuführen. Diese Befehle werden über das Gateway mit nRF52832-SoC an die relevanten Mesh-Nodes weitergeleitet, um Aufgaben auszulösen, z. B. das Erhöhen oder Senken der HVAC-Temperaturausgabe oder der Helligkeit in bestimmten Gebäudebereichen.
Flexible Lichtsteuerung und Gebäudeautomation
Ein zentraler Vorteil von BlueRange ist eine leistungsstarke und flexible Lichtsteuerung. BlueRange-Ready-Leuchten mit Digital Addressable Lighting Interface (DALI) ermöglichen dank ihrer Konnektivität eine drahtlose Konfiguration und Steuerung. Auf Basis von Belegungssensoren sorgt BlueRange-Hardware für eine automatische Lichtsteuerung einzelner Leuchten und Leuchtengruppen. Außerdem bietet BlueRange eine Option zur einfachen Integration von Gebäudeautomationskomponenten über Industriestandards wie KNX oder BACnet®.