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Obwohl alle Einzelkomponenten einem Unit-Test unterzogen wurden, das Zusammenspiel über Integrations- sowie Funktionstests sichergestellt und abschließend noch ein umfassender Systemtest erfolgreich durchgeführt wurde, fallen trotzdem einige Baugruppen mit der neuen Software sofort nach der Auslieferung beim Kunden aus.
Und eigentlich sind auch die Ursachen bekannt:
Die zuvor genannten Tests wurden schließlich in der Entwicklungsumgebung und in speziellen Prüflaboren durchgeführt.
Doch die Umgebungsbedingungen und ganz besonders mögliche Störgrößen in einer realen Anwendungsumgebung bergen häufig zahlreiche Überraschungen – besonders, wenn Wireless-Funktionen und Batteriebetrieb genutzt werden. Dazu kommt noch die "Kreativität" der Endanwender durch unvorhersehbare Interaktionssequenzen.
Eine typische Frage in diesem Kontext lautet daher:
Wie ermitteln wir die Ursachen für jeden einzelnen Ausfall und welche Änderungen sind erforderlich? Die WRD Toolbox bietet verschiedene Werkzeuge, um genau diese Fragen zu beantworten.
Abb. 1: Wireless Remote Debugging mit der WRD/Probe
Die WRD/Probe bietet einen Akku mit einer Laufzeit von bis zu 12 Monaten ohne Aufladen, abhängig vom konkreten Nutzungsprofil und dem angeschlossenen Target Device. Damit sind auch Langzeit-Feldtests problemlos möglich.
Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo eine LTE-M-Mobilfunkverbindung besteht und verbindet sich vollautomatisch über einen Rendezvous-Dienst im Internet (WRD Services) mit Ihrer Entwicklungsumgebung.
Die WRD/Probe verwendet gängige Standards und bietet eine GDB-Schnittstelle, die sich nahtlos in Ihre vertraute IDE wie VSCode oder Eclipse integrieren lässt. So entsteht quasi ein "virtuelles" Debug-Kabel.
Build-Prozesse starten, Breakpoints setzen, Variablen überprüfen usw.: alles bleibt unverändert, sodass Sie Ihren gewohnten Workflow beibehalten können.
SSV CEO Klaus-Dieter Walter beschreibt in diesem Fachbeitrag, worauf während einer Ende-zu-Ende-Feldtestphase speziell bei der Entwicklung einer Wireless IoT-Anwendung geachtet werden sollte.
Abb. 2: Beispiel für Wireless Remote Testing und Monitoring mit der WRD/Box
WRD/Boxen bestehen aus einem robusten Industriegehäuse in dem die Baugruppen für eine bestimmte Aufgabe auf einer 35 mm-Hutschiene montiert sind.
Der Fernzugriff wird in der Regel über ein 4G-Modem inkl. einer Global-SIM-Karte für den weltweiten Einsatz hergestellt.
Je nach Konfiguration sind u. a. folgende Anwendungen möglich:
Remote Assisted Development:
Team-basierte Entwicklung direkt in der Zielumgebung, z. B. ein KI-Softsensor für eine Maschine. Die WRD/Box wird mit der passenden Hard- und Software ausgerüstet, damit Entwickler von verschiedenen Standorten aus zugreifen können.
IoT-Datenaggregationen:
Rohdaten aus vernetzten Quellen (z. B. Maschinen, Anlagen, Sensoren) sammeln, kombinieren und zusammenfassen, um ein aussagekräftiges Gesamtbild zu schaffen.
Remote-Diagnostik:
Ferndiagnosen und vollständige Ende-zu-Ende (E2E)-Tests, um das Verhalten von Baugruppen und Subsystemen vor Ort detailliert zu untersuchen und ggf. vorhandene Probleme zu identifizieren.
Remote Access:
VPN-, SSH- bzw. HTTPS-gesichter Fernzugriff auf die WRD/Box selbst oder auf mit ihr verbundene Funktionseinheiten vor Ort.
Remote Debugging:
Debug-Aufgaben aus der Ferne ausführen, wie Code-Ausführung per Single Step, Setzen von Breakpoints, Trace-Datenerfassung usw.
Remote Software-Updates (OTA):
Aktualisierung von Funktionen, Verbesserungen und Fehlerbehebungen durch den Austausch der Firmware/Software in den Baugruppen und Subsystemen vor Ort (Device Flash Updates, DFU).
Unser Chef-Techniker Marc Kerski zeigt Ihnen gerne in einer persönlichen Online-Live-Demo welche Möglichkeiten und Vorteile die WRD/Box bietet und wie einfach das IoT Data Prototyping damit funktioniert.
Senden Sie uns dazu einfach Ihren Terminwunsch.
Abb. 3: Schema des Feldtest-Setups mit WRD/Box und WRD/Probe plus Eval-Board
Folgende Vorgaben hat uns der Kunde genannt:
Wegen des engen Kostenrahmens kam nur eine Elektronik mit einer hochintegrierten MCU in Frage, die sowohl einen ADC für die Dendrometer-Messdaten als auch ein Sub-GHz-Funkinterface plus ausreichend Flash für OTA-Updates und ein A/B-Bootkonzept bietet.
Der ADC musste zudem hochgenaue Messungen im Mikrometerbereich (μm) ermöglichen und die Funkschnittstelle Reichweiten von einigen hundert Metern auch in einem regendurchnässten Wald sicherstellen.
Auf Grund dieser Anforderungen haben wir uns für die STM32WL55-MCU entschieden. Als Eval-Board für diese MCU haben wir das STM32WL Nucleo-64 gewählt.
Und dann ging es auch schon an die konkrete Entwicklung der folgenden drei Kernfunktionen.
Das Dendrometerinterface:
Auf Grund der Messungen im μm-Bereich wurde mindestens ein 16-Bit-ADC benötigt.
Da die STM32WL55-MCU aber nur einen 12 Bit-ADC besitzt, mussten wir noch ein 4-Bit-Oversampling entwickeln.
Auch eine Temperaturkompensation der Messwerte hätte noch erforderlich sein können; das sollte ebenfalls mit Hilfe des Feldtests geklärt werden.
Die Funkschnittstelle:
Nach der Festlegung der technischen Details (Frequenzband, Kanalbandbreite, Modulation usw.), haben wir die Funkverbindung mit Hilfe des Eval-Boards realisiert.
Hier musste der Feldtest zeigen, ob die Anforderungen hinsichtlich der Reichweite und Signalqualität erfüllt werden.
Das Power Management für den Batteriebetrieb:
Zunächst haben wir die einzelnen MCU-Betriebszustände definiert und die erforderliche Stromaufnahme ermittelt, um die passende Dimensionierung der Batterie zu bestimmen.
Hier mussten durch den Feldtest die zustandsabhängigen Betriebsströme in der echten Anwendungsumgebung verifiziert werden.
Nur ein Feldtest liefert belastbare Daten
Die gesamte Entwicklung dieses Wireless IoT Outdoor Sensors erforderte also viele verschiedene Tests, die sich nur in der realen Anwendungsumgebung (in diesem Fall also einem Wald) durchführen und belastbar verifizieren ließen:
Für den Feldtest haben wir mehrere wetterfeste WRD/Boxen jeweils mit Eval-Board und WRD/Probe ausgerüstet, vom Kunden im Wald an Bäumen montieren lassen und alle Funktionen mit echten Dendrometerdaten mehrere Wochen bei unterschiedlichsten Bedingungen intensiv getestet.
Die ersten Ergebnisse flossen direkt in die Prototyp-Entwicklung ein, sodass wir während des Feldtests das Eval-Board mit den ersten Prototypen des finalen IoT-Sensors ersetzt haben.
Die WRD Toolbox besteht aus der WRD/Probe inkl. WRD Client, der WRD/Box und den WRD Services. Diese Werkzeuge sind für Debugging, Ende-zu-Ende-Tests und Monitoring von (Wireless-) IoT-Anwendungen konzipert.
Die WRD/Probe ist ein autarker Wireless Remote Debugger mit integrierter Batterie und LTE-Konnektivität.
Der browserbasierte WRD Client läuft auf dem Entwicklungsrechner und hat u. a. folgende Funktionen: sichere Verbindung zur WRD/Probe herstellen, Telemetriedaten der WRD/Probe liefern und Schnittstelle (GDB Server, UART Bridge) zwischen der WRD/Probe und angeschlossenem Target Device konfigurieren.
Die WRD/Box besteht aus einem wetterfesten Installationsgehäuse mit 35 mm-Hutschiene, wird individuell bestückt und dient dem Remote Testing und Monitoring.
Die Cloud-basierten WRD Services dienen als Rendezvous-Server zwischen dem Entwicklungsrechner und der WRD/Probe bzw. der WRD/Box und ermöglichen u. a. OTA-Updates.
Die WRD/Probe ist ein autarker Wireless Remote Debugger und wurde speziell für Feldtests von (Wireless) IoT-Geräten und Embedded Systemen unter realen Bedingungen konzipiert mit dem zahlreiche Debugging-Aufgaben direkt in der Anwendungsumgebung durch einen Feld- oder Ende-zu-Ende-Test (E2E) durchgeführt werden können.
Die WRD/Box wird je nach Aufgabenstellung passend ausgerüstet. Mit Ihr sind verschiedenste Remote-Anwendungen möglich, bspw. Remote Assisted Development, IoT-Datenaggregation, Remote-Diagnostik, Remote Access, Remote Debugging, Remote Software-Updates (OTA), OT/IT Connectivity, IoT Connectivity oder Embedded AI/Machine Learning.
Die WRD/Box kann für bestimmte Aufgaben auch mit der WRD/Probe bestückt werden, wie im oben beschriebenen Praxisbeispiel der Entwicklung eines IoT Wireless Outdoor Sensors.
Je nach Konfiguration sind mit den Werkzeugen der WRD Toolbox verschiedenste Remote-Anwendungen möglich: Remote Assisted Development, IoT-Datenaggregation, Remote-Diagnostik, Remote Access, Remote Debugging, Remote Software-Updates (OTA), OT/IT Connectivity, IoT Connectivity oder Embedded AI/Machine Learning.
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