WLAN Erweiterungsmodul mit MQTT Client oder REST Server für digitale Messuhren

Geeignet für Messuhren mit Digimatic Schnittstelle (z.B. Mitutoyo Mess­uhren)

Einleitung und Zielsetzung

Mitutoyo Messuhren, Messschieber und Bügelmessschrauben sind gute und beliebte Messgeräte zur Längenmessung. Ein tolles Feature vieler Mitutoyo Uhren ist, dass sie eine digitale Schnittstelle zum Auslesen der Messwerte besitzen.
Diese sogenannte Digimatic Schnittstelle liefert über einen einfachen aber proprietären 5 poligen Platinenstecker alle notwendigen Signale nach außen zur externen Verarbeitung.
Die vorhandene serielle Schnittstelle eröffnet die Möglichkeit die Mess­signale einer Messuhr oder eines Mess­schiebers digital in der Messtechnik weiter zu verarbeiten.

Es existieren einige Projekte und Produkte um diese serielle Mess­signale weiter zu verarbeiten. Alle diese Projekte und Lösungen sind soweit uns bekannt jedoch entweder per Kabel verbunden oder nur per spezieller Funkverbindung möglich. Solch eine spezielle Funkverbindung ist z.B. Bluetooth (Bluetooth Standard oder Bluetooth Low Energy / BLE), ZigBee oder auch Protokolle im 868 MHz Frequenzband. Zur Weiterverarbeitung ist dann eine externe Wandlung in ein serielles Format wie RS232 oder USB einfach möglich. Anschliessend können die Daten dann z.B. mit einer PC-Software oder auch auf einem Embedded-System ohne großen Aufwand möglich.
Unser Ziel war es jedoch die Messuhr um ein Modul zu erweitern welches die Messwerte direkt kabellos weitergibt. Weiter soll die Verbindung nicht nur für sehr kurze Distanzen sondern über beliebige Strecken übertragbar sein.
Weiter soll die Verbindung nicht gekoppelt werden müssen – wie es z.B. bei allen Bluetooth Standards zwingend notwendig ist.
Aus der Messuhr soll also eine Industrie 4.0 taugliche InternetOfThings(IoT) Device werden. Der direkte Standard für das Internet ist TCP/IP und der dazugehörige Funkstandard ist W-LAN nach IEEE-802.11.
Es soll also möglich sein, die Messuhr direkt in ein vorhandenes WLAN Netzwerk einzubinden. Um direkt und ohne Umwege mit der Messuhr eine Funkverbindung herzustellen. Über diese Verbindung können dann nicht nur Mess­signale empfangen werden sondern auch Konfigurationseinstellungen oder Messaufgaben an die Device gesendet werden können.
Als Entwicklungsprojekt hatte das Ing.Büro Keil den Auftrag für einen Konzern diese Aufgabe industrietauglich für einen Prototypen umzusetzen.
Wir als rAAAreware UG fertigen diesen Prototypen einer WLAN-Messuhr Erweiterung nun in Kleinserie.

Als großen Vorteil dieser Lösung sehen wir: Sie können eine vorhandene Messuhr weiterverwenden. Die Anschaffung einer neuen Messuhr oder eines Messtasters entfällt. Hiermit werden nicht nur die Kosten für eine neue Messuhr gespart, sondern auch eventuelle Sekundärkosten durch die Anpassung der Messeinrichtung auf eine neue Messuhr.

Hauptfunktionen:

• Messergebnisse per Funk übertragen (Drahtlose Messdatenerfassung).
• Netzwerkfunktion der Messuhr über WLAN.
• OLED Display zur Anzeige von Bedienhinweisen und Status.
• Direkte Anbindung der Messuhr an einen MQTT Server.
• Optionale Steuerung der Messuhr über ein REST Protokoll (REST Client/REST Server).
• Optional: Mobiler Betrieb der Messuhr. Stromversorgung durch Akku mit langer Laufzeit.

Weitere Funktionen:

• Hohe Konfigurationsmöglichkeit
• Möglichkeit der Paarung zwischen Messclient und Messgerät.
• Anzeige langer Displaytexte als Lauftext (Scrollfunktion).
• Anzeige von WLAN- und Batteriestatus.
• Datenausgabe im MQTT Protokoll.
• PowerManagement mit StandBy Funktion.
• Einfach austauschbarer Akku.
• Möglichkeit zur stationären Stromversorgung.
• Integrierte Ladeschale und Ladeelektronik mit Statusanzeige.
• Implementation der Digimatic Schnittstelle mit aktiver Datenanforderung.
• Hohe Messfrequenz und Quasi-Echtzeit Messungen möglich.

Die Messwertübertragung kann über verschiedene Arten ausgelöst werden:

• Direkt über die Messuhr – für solche Mitutoyo Messuhren, welche eine Data-Taste besitzen.
• Über eine optionale Taste am Modul.
• Über eine MQTT-Anforderung, also Remote ausgelöst.
• Zyklisch über einen MQTT Befehl (z.B. alle 1 Min), z.B. für Langzeitmessungen.
• Echtzeitgesteuert über Zeitserver (NTP/PTP) – z.B. für zeitsynchrone Messung an verschiedenen Messpunkten.

In den Pausezeiten kann die Messuhr dann optional in den Standby-Modus versetzt werden.

Hardware und Elektronik:

Das Modul wird direkt an der Messuhr oder besser um die Messuhr herum angebracht.
2 gesicherte Schrauben verbinden das Modul stabil mit der Messuhr.

Im Modul verbaut ist ein Mikrocontroller zur Steuerung der Einheit.
Über ein WLAN Modul kann sich das Subsystem direkt mit einem WLAN Netzwerk verbinden.
Das Modul wird intern über eine Kabelverbindung an die Digimatic Schnittstelle des Messgeräts angeschlossen. Über ein Verbindungskabel wird das Elektronikmodul mit dem Stromversorgungsmodul verbunden.
Durch diese flexible Verbindung bleibt die Möglichkeit der Drehung des MitoToyo Display erhalten und das interne OLED Display des Moduls folgt der Drehung.
Das hochauflösende Display zeigt programmierbare Informationen an. Zusätzlich werden Geräteinformationen sowie der WLAN- u. Akku-Status angezeigt.
Ein programmierbarer Taster ermöglicht es zusätzliche Eingaben vorzunehmen oder das Modul in einen bestimmten Zustand zu versetzen.
Eine autonome Stromversorgungseinheit mit Ladekontakten ist an der Rückseite der Messuhr aufgesteckt. Alternativ ist ein Laden über ein standard Micro-USB Kabel möglich.
Das Gehäuse wird auf Kundenwunsch aus ABS oder PLA gefertigt.

Softwareteil:

Die Microcontroller-Software beinhaltet diese Bestandteile:

• Verarbeitung und Wandlung der Binärwerte der Digimatic Schnittstelle.
• Steuerung des Displays.
• Steuerung des WLAN Kommunikationsflusses.
• Implementation des MQTT Datenprotokolls.
• Optionale Implementation einer REST API (REST Server) zum direkten Abruf der Messwerte oder zur Übertragung der Konfigurationswerte.
• Powermanagement des Systems (Standby/DeepSleep nach Übertragung; WakeUp bei Messbeginn).
• Möglichkeit zum sicheren Update/Flash der Software über die WLAN Verbindung (OTA -Update, On the air upate).
• Möglichkeit zur eindeutigen Hinterlegung der Messgeräte-ID in der Software.

Aktuell ist dieses Produkt noch im Entwicklungsstatus – es ist jedoch bereits für Test- und Versuchsanwendungen verfügbar und in diesem Rahmen voll einsatzbereit.

Individuelle Anfragen sind willkommen!

Der Preis der Erweiterung und aktuelle Lieferzeiten der Module auf Anfrage.
Auch Dienstleistungen im Bereich der individuellen Programmierung für benutzerspezifische Anforderungen an Gehäuse, Hardware oder Software sind jederzeit möglich.

Mögliche Kombinationen der Module und individuelle Anpassungen

WLAN und Display Modul

Das WLAN und Display Modul wird direkt an der Messuhr angebracht. Die Verbindung zur Messuhr ist über einen Goldkontakt-Stecker gesteckt. Das Modul wird verschraubt und ist somit fest und relativ dauerhaft mit der Messuhr verbunden. Es sind Module für alle gebräuchlichen Messuhren der Mitutoyo Serie 543 möglich.

Das oben gezeigte Modell ist für Messuhren mit drehbarem Display geeignet: Die Möglichkeit der Drehung des Displays bleibt voll erhalten.
Eine mögliche Messuhr wäre z.B. die Mitutoyo ID-C112AX oder Mitutoyo ID-C112B sowie ID-C112XB.
Das Gehäuse lässt sich relativ leicht auch für die etwas größeren älteren Mitutoyo Messuhren mit Digimatic Datenausgang modifizieren. Dies wären z.B. die Modelle ID-C1012B oder ID-C112B mit der Artikelnummer 543-250B.

Als alternative zu den Messuhren mit drehbarem Display existieren Modelle mit einem feststehenden Displayteil wie die ID-S1012XB oder ID-S1012SB.
Für diese Modelle haben wir ein unser Gehäuse M3 entwickelt: Dieses ermöglicht eine sehr stabile umschließende Montage um die Messuhr herum.

Das Modul ist sehr stabil mit der Messuhr verschraubt.
Die Elektronik und das Display ist über der Messuhr. Der Optionale Akkupack (Gezeigte Kapazität: 650mAh; maximal möglich bis 1800mAh) ist hinten an der Messuhr angebracht. Als Alternative zum Akkupack kann ein Daten- oder Stromversorgungskabel (3.3 oder 5 Volt) angeschlossen werden.
Optional kann ein Spannungs­konverter im Modul untergebracht werden, so dass auch Versorgungsspannungen bis zu 24 Volt möglich sind.

Zusätzlich zum Modul kann auch die Messuhr selbst über das Modul mit Spannung versorgt werden. Hierzu wird im Modul noch ein 1.5V Konverter integriert, welcher dann direkt anstatt der Batterie (Knopfzelle L1154 oder 303/307) die Messuhr mit Energie versorgt. Diese Stromquelle ist zudem nicht über den Hauptschalter des Moduls gesteuert, so dass die Messuhr ununterbrochen versorgt wird, auch wenn das Modul selbst ausgeschaltet ist oder sich im StandBy-Modus befindet.

Externe Module

Ein Modul kann auch extern an die Messuhr angeschlossen werden.
Der Anschluss der externen Module erfolgt entweder über das original Digimatic Datenkabel
oder über unser eigenes Kabel mit einem abgewinkelten Digimatic Stecker.

Die von uns erstellten Stecker haben vergoldete Kontakte und lassen sich einfach und zuverlässig mit der Messuhr verbinden. Die Kabellängen können nach Wunsch gefertigt werden. Der Anschluss kann offen oder mit einer 2-reihigen Steckerleiste (10-polig) ausgeführt werden. Auch besondere Kundenwünsche sind möglich.

Stromversorgungsmodul

Das WLAN Modul wird wahlweise mit 3.3 oder 5 Volt gespeist.
Als Stromversorgungsmodule sind möglich:

• Direkte Stromversorgung über 3.3 oder 5 Volt, 250mA.
• Akkupack, welcher direkt auf der Rückseite der Messuhr aufgesteckt wird.

Als Akkupack sind Leistungen bis 1000mAh möglich. Ein externer Akkupack kann natürlich auch deutlich mehr Leistung bereitstellen.

WLAN/LAN/WLAN Router und Gateway

Soll die Messuhr in einem Sub-WLAN-Netz (WLAN-Insel) betrieben werden kann über ein WLAN Gateway eine sichere Verbindung in ein LAN oder WLAN Netzwerk geschaffen werden.
Das von uns angebotene Gateway basiert auf einer Raspberry Pi Hardware mit Linux Software und stellt neben dem eigenen WLAN-Access-Point einen weiteren externen Port auf WLAN Seite sowie einen RJ45-Port auf LAN/WAN Seite.
Über eine RP-SMA Steckverbindung kann eine externe Antenne angeschlossen werden um die WLAN Reichweite zu erhöhen.

Mobile Ladestationen

Für die komplett kabellose Lösung steht eine Ladestation zur Verfügung.
In dieser Ladestation wird der Li-Ion Akku der IoT-Device innerhalb 3-6 Stunden vollständig geladen.
Der Ladestrom ist konfigurierbar um die Ladedauer auf die individuelle Anforderung der Anwendung anzupassen und den Akku maximal zu schonen.

Funktionsweise des Messuhr-Moduls

Das Modul kennt 2 Betriebsarten:

• Konfiguration
• MQTT Betrieb

In der Betriebsart [Konfiguration] funktioniert das Modul als WLAN Server und stellt einen WLAN Access Point bereit.
Somit kann über einen beliebigen Client eine Verbindung zum Modul hergestellt werden – z.B. wenn ein bereits konfigurierter Zugang zu einem bestehenden Netzwerk nicht mehr möglich ist.
Über die Verbindung zu diesem Access-Point kann eine Konfiguration in das Modul geladen werden.
Der primäre Sinn der Konfiguration besteht darin, das Modul für den Zugriff auf einen MQTT Server zu konfigurieren.
Die Konfiguration wird idealerweise über einen CURL Upload einer JSON Konfigurationsdatei durchgeführt.

Nach erfolgreichem Laden einer Konfiguration startet das Modul im MQTT Betrieb.
Der eigene WLAN Accesspoint wird deaktiviert.
Stattdessen versucht das Modul sich mit dem zuvor konfigurierten WLAN Accesspoint zu verbinden.
Nach erfolgreicher Verbindung mit dem Accesspoint wird versucht eine Verbindung mit dem zuvor konfigurierten MQTT Server herzustellen.
Ist diese Verbindung erfolgreich kann das Messgerät direkt über MQTT Botschaften versenden und empfangen.

Über eine Softwarefunktion lässt sich das Modul wieder in den Konfigurationsmodus versetzen.

Aktualisierung der Firmware

Die Firmware der Messgeräte-Erweiterung kann über WLAN aktualisiert werden (OTA-Update/Over The Air Update).
Der Aktualisierungsvorgang wird auf dem Display angezeigt.
Die Aktualisierung wird nur dann aktiviert wenn die gesamte Firmware fehlerfrei über das WLAN in das Modul übertragen werden konnte.
Die Aktualisierung der Firmware wird über verschiedene optionale Mechanismen geschützt:

1. Über eine explizite geschütze Freischaltung über eine entsprechende MQTT Botschaft.
2. Über eine Tastenkombination am Modul.

Inbetriebnahme

Das Modul wird über die [Data] Taste des Mitutoyo Devices oder einen Druck auf die Taste am Modul eingeschaltet. Nach dem Einschalten erscheint auf dem Display der Versionsstand und eine Startmeldung.
Wenn noch keine Konfiguration geladen wurde ist das Modul im Modus [Konfiguration].
Dies ist auch daran sicher erkennbar, dass ein neuer WLAN Accesspoint für andere WLAN Clients sichtbar ist. Dieser Name besteht aus [KundenID][GeräteID].
Nach Verbindung mit diesem AP kann die Konfiguration an das Modul gesendet werden:

curl -X PUT http://192.168.123.1/config --header "Content-Type: application/json" -d @config.json

Die Adresse [http://192.168.123.1/config] ist hierbei fest vorgegeben.
Als Antwort des Moduls erscheint in der Konsole ein „[…success]“.

Die [config.json] muss die Konfigurationsdaten für das Modul enthalten.

Stromverbrauch

Zum Stromverbrauch der IoT Messuhr Erweiterung.
Im eingeschalteten und aktiven Betrieb verbraucht die Messuhr ca. 100mA Strom bei 3.3 Volt.
Direkt während der sehr kurzen Sendephase des Messwerts kann der Stromverbrauch kurz auf 190mA ansteigen.
Bei fortlaufender Messung und Übertragung alle 10 sek. wird ein mittlerer Stromverbrauch von 110mA ermittelt.
Bei ununterbrochener Messung mit Übertragung des Messwerte wird ein 1000mA Akku somit ca. 9 Stunden die erforderliche Leistung bereitstellen.
Wenn im praktischen Betrieb nicht kontinuierlich gemessen wird verlängert sich die Akku-Laufzeit entsprechend:
Wenn z.B. alle 10 min. eine Messung über eine Minute durchgeführt wird ist von einer ca. 10 mal längeren Akku-Betriebszeit auszugehen. Eine volle Akku-Ladung sollte also für ca. 90 Stunden genügend Energie liefern.

Der Stromverbrauch im StandBy Modus ist mit einigen wenigen mA fast vernachlässigbar. Für eine z.B. längere Lagerung des Moduls kann direkt am Akku die Stromversorgung über einen mechanischen Schalter vollständig getrennt werden.

MQTT Funktionen

Die MQTT Botschaften werden an den konfigurierten MQTT Server gesendet, welcher auch Botschaften an die Messuhr weiterleiten kann.
Als MQTT Server kann ein beliebiger Server verwendet werden. Getestet wurde der mosquitto Server und mosca MQTT Broker.
Als Testclient der Botschaften kann ein MQTT Client wie mqttfx verwendet werden. Zusätzlich liefern wir eine Eigenentwicklung eines Test-Client mit dem Modul aus, so dass die spezifischen MQTT Botschaften direkt empfangen und interpretiert werden können.

Alle möglichen MQTT Topics stehen detailiert in der Bedienungsanleitung des Messuhr-Moduls.

Anwendungsbeispiele aus dem Bereich automatisierte Längenmesstechnik

Einige Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Messtechnik für unser Modul zum Messuhr automatisieren.
Unsere Kunden haben bereits diese Anwendungen für industrielle Messaufgaben mit Messuhren in der Praxis umgesetzt.

1. Sicheres Erfassen von Messwerten zur Protokollierung der Messergebnisse in einem Daten­backend (z.B. einer Anwendung wie das in der Industrie weit verbreitete Produkt Qs-STAT der Fa. Q-DAS oder auch nur einer Excel-Tabelle).
2. Steuerung und Auswertung von komplexen Messvorgängen, inklusive der Benutzerführung über den gesamten Messvorgang über das im Modul eingebaute Display.
3. Messen von Längenmaßen in automatisierten Prozessen mit Steuerung des Prozesses durch Auswertung des Messergebnisses.
   Diese Anwendung wird oft auch mit induktiven Messtastern durchgeführt. Ein Vorteil gegenüber diesen besteht bei dem Messuhr-Modul darin, dass Werte, Ergebnisse und Schlussfolgerungen direkt an der Mess­stelle mit angezeigt werden können.
   Durch den Einsatz des offenen Standards MQTT lassen sich Anbindungen an die Prozess­leittechnik zudem sehr einfach durchführen.

Die Stromversorgung erfolgt über einen MCX Stecker an der Rückseite des Moduls. Ein MCX Stecker ist sehr unkonventionell für eine Stromversorgung, bietet jedoch einige Vorteile:

1. Vergoldete Kontakte, daher sehr langfristig wartungs- und verschleissfrei.
2. Sichere Steckverbindung durch Schnappverbindung.
3. Leicht drehbar, ideal für abgewinkelte Stecker.

Für die vorkommenden Ströme bis max. 200mA bei 3.3V ist dieser Stecker somit hervorragend geeignet.

Eine Ergänzung zur Dokumentation des Moduls mit 5V oder 3.3V Versorgungsspannung finden Sie hier.

Rechtliches

Mitutoyo und Digimatic sind vermutlich eingetragene Warenzeichen von Mitutoyo. Wir verwenden diese Bezeichnungen hier zur Erklärung des IoT Moduls (der Hardware und Software). Wir stehen in keiner Verbindung zu Mitutoyo - setzen aber sehr gerne und wo immer möglich deren gute und zuverlässigen Messuhren ein.

Das IoT Device ist aus haftungsbedenken noch nicht als Produkt deklariert sondern als Erweiterungsmodul für ein bestehendes Produkt und als Prototyp für Versuchsanwendungen. Wie das Produkt dann letztendlich eingesetzt wird liegt in der Entscheidung des Anwenders.