Drahtloser Notruf-Taster: Erhöhte Sicherheit mit LoRa

Ein innovativer Ingenieur kann ein Problem in einer komplizierten industriellen Umgebung mit einigen kostengünstigen elektronischen Modulen und etwas Arduino-Programmierung lösen. Du kannst diesen drahtlosen Not-Aus-Taster zusammen mit LoRa für eine Vielzahl von Anwendungen nutzen.

Ein Not-Aus-Taster

Ursprünglich wurde der hier vorgestellte drahtlose Notrufknopfes (auf gut englisch: Emergency Push Button, EPB) speziell für eine industrielle Anwendung entwickelt, der Probeentnahme von Kohle, die in Zügen an ein Elektrizitätskraftwerk geliefert wurden. Eine Kohleprobe muss von der Oberseite eines Kohlewaggons entnommen werden, um den Heizwert zu bestimmen, bevor die Kohle verwendet werden kann. Dies ist ein wichtiger Parameter für ein Kraftwerk.

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Vor der Probenentnahme drückte der Probenehmer auf die vorhandene Rufanlage, um dem Zugführer seine Anwesenheit zu signalisieren, damit dieser den Zug stoppen konnte. Leider kann der Probenehmer wegen der Länge des Zuges, der Krümmung des Gleises und seiner eigenen Position manchmal das Signal nicht sehen. Gelegentlich wurde beobachtet, dass der Zug bei der Probenahme versehentlich rollte, was zu Unfällen führte und die Person verletzte. Das Rufsystem war also verbesserungsbedürftig.

Dinge, die zu beachten sind

Kohlezüge können sehr lang sein, bis zu 500 m, und es können bis zu vier nebeneinander stehen, die gleichzeitig beprobt und entladen werden. Hinzu kommen noch die gebogenen Gleise, und Sie werden verstehen, dass es kompliziert ist, zu überblicken, was alles vor sich geht. Außerdem ist die Umgebung durch das Entladen der Züge sehr laut. Eine akustische Rückmeldung ist daher ebenfalls schwierig.

Das bestehende EPB-System ist kabelgebunden, was in einer solchen Umgebung recht riskant ist. Lange Kabel können unbemerkt brechen, und sie zu ersetzen oder mehr Kabel zu verlegen, um eine sichere Rückmeldung zu erhalten, ist kompliziert und teuer. Auch die Erhöhung des Signalmastes, damit er von weitem sichtbar ist, ist keine praktische Lösung, da es ein gutes Sehvermögen erfordert, um zu erkennen, für welches Gleis das Signal bestimmt ist.

Drahtlos mit LoRa

Die Lösung, die wir uns ausgedacht haben, ist ein drahtloser Notrufknopf (Bild 1). Er besteht aus zwei Teilen, einem Sender und einem Empfänger. Eigentlich sind die beiden Geräte fast identisch und können sowohl senden als auch empfangen. Wenn Sie möchten, können Sie sich die Lösung auch als Master-Slave- oder Client-Server-System vorstellen.

Bevor eine Kohleprobe entnommen wird, drückt der Probenehmer eine Taste am EPB-Sender, um seine Anforderung für eine Probenahme zu signalisieren. Wenn der EPB-Empfänger in der Kontrollkabine diese Anforderung empfängt, aktiviert er ein Relais, um die Taste am bestehenden EPB-System zu „drücken“, und sendet eine Bestätigung zurück an den EPB-Sender. Jetzt weiß der Probenehmer sicher, dass sein Signal angekommen ist, und er kann gefahrlos eine Probe nehmen. Wenn er fertig ist, drückt er einen zweiten Knopf am EPB-Sender, um das System freizugeben. Diesmal gibt der EPB-Empfänger den vorhandenen EPB frei, indem er ein zweites Relais aktiviert. Auch hier wird dies dem EPB-Sender bestätigt. Das System ist nun bereit für eine neue Probe.

Falls das System nicht verfügbar ist oder der signalgebende EPB aus betrieblichen Gründen überbrückt wird, kehrt das Rückmeldesignal nie zum Sender zurück, wodurch der Sender gewarnt und eine Fehlkommunikation vermieden wird.

Schaltungen für Sender und Empfänger

Der EPB-Sender ist eine exakte Nachbildung der bestehenden EPB-Einheit, die jedoch zusätzlich mit einer kleinen Antenne und einem kleinen OLED-Display ausgestattet ist. Der Sender wird von einem einzelligen LiPo-Akku versorgt. Er besitzt zwei Drucktasten (1×an). Im Inneren (Bild 2) befindet sich ein ESP32-Modul, das das OLED-Display und ein LoRa-Transceiver-Modul steuert. Das ESP32-Modul wurde nur der Bequemlichkeit halber verwendet, nicht wegen seiner drahtlosen Fähigkeiten. Jedes andere billige, stromsparende Mikrocontroller-Modul mit den richtigen Schnittstellen (I²C, UART, 2×GPIO) kann verwendet werden.

EPB-Sender mit OLED-Display und zwei Drucktasten — Bild 2. Der EPB-Sender besteht aus einem OLED-Display und zwei Drucktasten (neben dem LoRa-Transceiver).

Der EPB-Empfänger ähnelt der Sendeeinheit, nur dass er statt der Drucktasten zwei Relais und kein Display besitzt (Bild 3). Die Software sorgt dafür, dass nur eines der beiden Relais aktiv sein kann.

Bild 3. Die beiden Relais des EPB-Empfängers „drücken“ die Tasten des bestehenden EPB-Systems.

Sicherheit

Um die Sicherheit zu erhöhen, damit das System nicht durch Störsignale gestört wird, haben wir stromsparende LoRa-Transceivermodule von EByte ausgewählt. Sie verwenden nicht nur das störungsresistente Verfahren der Frequenzspreizung, sondern stellen auch drei Parameter zur Verfügung: Kanalfrequenz, Übertragungsraten und eine 4-Byte-ID. Eine Kommunikation kann nur stattfinden, wenn diese drei Parameter an beiden Enden der Verbindung gleich sind.

Das Modul verfügt über eine serielle Schnittstelle und liefert bis zu 500 mW (21...30 dbm) im ISM-Band von 868 MHz (Bild 4). Mit einer kleinen Handheld-Antenne und der Antenne der Empfangseinheit auf dem Dach der Kabine / des Kontrollraums kann das Signal sehr bequem und sicher 500 m entlang der Bahnstrecke zurücklegen.

EPB Sender auf Basis von Perfboard. — Bild 4. Prototyp des EPB-Senders, auf einem Lochrasterabschnitt aufgebaut.

Software

Wie die Hardware, so ist auch die Software für beide Geräte, zwei kurze Arduino-Sketches, ähnlich aufgebaut.

Beide Sketches konfigurieren in der setup()-Funktion die serielle Schnittstelle, die für die Kommunikation mit dem LoRa-Transceiver verwendet wird, als 9600N81. Der EPB-Sender konfiguriert zwei GPIO-Pins als Tastereingänge, während der EPB-Empfänger sie als Ausgänge zur Ansteuerung der Relais konfiguriert. Der EPB-Sender bereitet auch das OLED-Display vor.

In der Funktion loop() prüfen sowohl der Sender als auch der Empfänger zunächst, ob eine Nachricht von der anderen Einheit empfangen wurde. Wenn ja, aktualisieren sie ihren Zustand entsprechend. Der Empfänger sendet eine Bestätigung an den Sender zurück und beginnt, auf eine neue Nachricht zu warten.

Der Sender fährt fort, indem er den Zustand seiner beiden Drucktasten überprüft. Je nachdem, welche Taste gedrückt wird, sendet er einen kurzen ASCII-String über die serielle Schnittstelle an den LoRa-Transceiver. Es wird immer nur ein Tastendruck akzeptiert.

Die Software kann von der Projektseite bei Elektor Labs heruntergeladen werden. Sie können sie nach eigenem Ermessen verändern. Die Zeichenketten, die zwischen den beiden Geräten ausgetauscht werden, sind mehr oder weniger willkürlich gewählt und können durch alles ersetzt werden, was Sie Ihnen in den Sinn kommt.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel 200578-02 erschien in Elektor Juli/Aug 2023.