Mitutoyo Messschieber und Bügelmessschrauben besitzen mit der Digimatic-Schnittstelle eine einfache Möglichkeit die gemessenen Daten digital weiter zu verarbeiten. An das Digimatic-Interface lassen sich über ein Kabel die Daten auslesen und z.B. an einen PC oder Prozessrechner übertragen. Auch unsere WLAN-Funkmodule für Mitutoyo Messgeräte werden über die Digimatic-Steckbuchse an den Messschieber oder die Messuhr angeschlossen. In diesem Artikel soll es um die neuen und besonderen Digimatic-Buchsen der Handmessmittel gehen welche eine höhere Schutzart (IP67) besitzen und hierbei einen besonderen Anschluss für das Digimatic-Kabel besitzen.

Die normale, klassische Digimatic-Schnittstelle besteht meist einfach aus 5 Kontaktflächen auf der Elektronik-Platine des Messmittels. Der Stecker mit seinen Goldkontaktflächen stellt dann die elektrische Verbindung zur Schnittstelle her.

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Blick auf die klassische Digimatic-Schnittstelle an einem Mitutoyo Messschieber

Etwas anders sieht es beim Digimatic-Anschluss für Handmessmittel mit IP67 Schutzart aus. Auf den ersten Blick sieht es ganz so aus, als ob es schlicht überhaupt keine Kontaktflächen oder nur eine einzige Kontaktfläche gibt. Der Stecker – welcher sich auch vom normalen Digimatic-Stecker unterscheidet – weist dagegen auch 5 Kontaktflächen an der Stirnseite auf.

Blick auf die Digimatic Schnittstelle mit Schutzart IP67
Blick auf die Digimatic Schnittstelle mit Schutzart IP67
Digimatic Schnittstelle in Schutzart IP67 an einer Mitutoyo Bügelmessschraube
Digimatic Schnittstelle in Schutzart IP67 an einer Mitutoyo Bügelmessschraube

Aufschluss über die Funktionsweise der Steckverbindung gibt die Analyse der Kontaktfläche unter einem Mikroskop: Die vermeintlich durchgängige Kontaktfläche besteht aus sehr vielen sehr dünnen Drahtbahnen.
Die einzelnen Drähte haben hierbei eine Stärke von ca. 0,05 mm.

Digimatic Kontaktfläche in großer Vergrößerung
Digimatic Kontaktfläche in großer Vergrößerung

Diese dünnen Drahtbahnen stellen die Verbindung zu dem Digimatic-Stecker her. Hierbeit wird keine 1:1 Verbindung hergestellt sondern der Stecker trifft auf einige Gegenkontakte. Diese geben das elektrische Signal dann an die Mitutoyo Platine weiter.

Die Digimatic-Stecker im Vergleich. Links der Standardstecker. Rechts der Stecker für Digimatic-IP67

Auch die Stecker für die IP67 Schutzart-Variante unterscheiden sich. Der Standardstecker hat seine Kontaktfläche oben. Die IP67 Variante hat eine durchgängige Kontaktfläche. Verwendet zur Kontaktherstellung wird jedoch nur die Vorderseite/Stirnseite des Steckers. Diese Fläche liegt auf dem Kontaktpad auf. Zusätzlich wird der Stecker mit hoher Schutzart verschraubt. Dies ist auch notwendig damit der Stecker fest auf die Dichtung drückt. Die Buchse selbst besitzt keine hohe Schutzart.

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Geöffnete Mitutoyo Bügelmessschraube

Ein vollständiges Bild der Situation vermittelt eine Messuhr mit geöffnetem Deckel. Das Goldkontakt-Element wird einfach in die Aussparung der Kunststoffbuchse geschoben und stellt dann eine Brücke zwischen dem Digimatic-Stecker auf der einen und der Platine auf der anderen Seite her. Beim Einstecken wird das Kontaktpad etwas zusammengedrückt – so dass es hoffentlich einen guten Kontakt zwischen Stecker auf der einen Seite und der Platine auf der anderen Seite herstellt.

Mitutoyo wird sich bei dieser Konstruktion etwas gedacht haben. Nur: Wir wissen nicht was. Die Schutzklasse wird lediglich durch die Gummidichtung ganz außen hergestellt (auf dem Bild ganz oben gut zu sehen, auf dem Bild mit der geöffneten Messschraube entfernt). Anstatt einem Kontaktübergang haben wir es nun mit 2 Kontaktübergängen zu tun. Weiter sind die Abstände zwischen den Kontaktbahnen sehr klein (ca. 50μm): Kleinste Fremdkörper wie metallische Späne oder auch Flüssigkeiten würden die Kontaktfähigkeit mit hoher Wahrscheinlichkeit beeinträchtigen oder eine Brücke zwischen 2 Signalleitungen herstellen. Insgesamt halten wir diese Konstruktion also – milde gesagt – für sehr gewagt. Vielleicht ist sie einfach nur preisgünstig umzusetzen.

Als Alternative bieten wir daher an die Datenkabel unsere Funkmodule fest mit der Bügelmessschraube zu verbinden: Das Kontaktpad kann einfach entnommen werden, dafür wird das Kabel direkt vom WLAN-Funkmodul durch die Kunststoffdurchführung gelegt und fest mit der Platine der Bügelmessschraube verlötet. Eine Verbindung die zuverlässig über Jahre hält und dauerhaft stabile Messergebnisse liefert.

Aufgabenstellung

Eine klassische Messvorrichtung soll die gemessenen Daten per Funk an ein verarbeitendes System übertragen. Die Vorrichtung wurde durch den Vorrichtungsbau bereits erstellt und ist bereits mit präzisen Mitutoyo Messuhren ausgestattet. Die Prüfvorrichtung soll Mobil eingesetzt werden. Es ist daher eine kabellose Lösung mit unabhängiger Stromversorgung erforderlich.

Durch die automatische Übertragung per Funk sollen Ablesefehler vermieden werden. Eine Übertragung mit Bluetooth oder anderen gängigen Funkprotokollen von Funkmessuhren ist nicht sinnvoll da die Vorrichtung an unterschiedlichen Stellen im Betrieb eingesetzt werden soll. Eine Kopplung der Funkmodule mit einem Rechner vor jeder Messung ist zudem zu aufwändig und generell problematisch.

Die Messungen sollen Ferngesteuert aus der Ferne ausgelöst werden.

Die Messung mit den Messuhren soll praktisch zeitsynchron in einem sehr engen Zeitfenster (wenige Millisekunden) durchgeführt werden.

Lösung der Aufgabe

Die vorhandenen Messuhren werden mit rAAAreware Funkmodulen M4 ausgestattet. Die Module können einfach auf der Rückseite der Messuhren montiert werden. Auf die Module wird ein leistungsstarker Lithium-Ionen Akku aufgeschoben. Dieser ermöglicht einen langen unabhängigen und kabellosen Betrieb der Funkmodule auf der Vorrichtung. Ein notwendiger baldiger Akkuwechsel wird rechtzeitig sowohl vom Modul als auch über MQTT angezeigt.

Messvorrichtung mit 6 Messuhren welche mit WLAN-Funkmodulen ausgestattet sind.
Ansicht der Messvorrichtung mit 6 Messuhren und den WLAN-Funkmodulen
(Modell M4 mit Akku)

Die WLAN Messuhr-Module werden über das offene und frei verfügbare MQTT Protokoll angesteuert. Somit kann über einen Leitrechner oder einen anderen MQTT Client eine Messung ferngesteuert getriggert werden. Die Ergebnisse werden dann direkt vom MQTT Broker übernommen und können direkt weiterverarbeitet werden. Als Bedienung an der Messvorrichtung ist nur das Einschalten der Messuhren und das Einschalten der Funkmodule über einen Schiebeschalter erforderlich.

Durch die gleichzeitige Messung und Übertragung der Messergebnisse wird ein Qualitätsgewinn und eine Zeitersparnis bei der Durchführung der Messaufgabe erreicht. Die Gesamtmessung ist in sehr kurzer Zeit bei minimaler Fehlermöglichkeit durchführbar.

Alternative Lösungsansätze

Ein alternativer Lösungsansatz ist über eine zentrale Stromversorgung der Funkmodule realisierbar. Wenn z.B. der Platz hinter den Messuhren nicht für das Funkmodul ausreicht können diese an anderer Stelle der Messvorrichtung angebracht werden. Die Verbindung zur Messuhr erfolgt dann nur über das Digimatic Kabel. Die extern auf der Vorrichtung angebrachten Module können dann über einen zentralen Ein-/Ausschalter mit einer zentralen Stromversorgung verbunden werden. Diese zentrale Energieversorgung kann dann ein industrielles Akku-Pack sein oder auch eine gewöhnliche 5V Powerbank. Durch die zentrale Spannungsversorgung der Module wird die Bedienung weiter vereinfacht, da alle Messuhren gleichzeitig und zentral ein- und ausgeschaltet werden können.

Dieser Ansatz wurde bereits bei anderen Prüfvorrichtungen erfolgreich umgesetzt. Auch andere Messuhren oder auch andere Messgeräte sind so über ein serielles Kabel an ein extern montiertes Funkmodul anbindbar.

Kontaktieren Sie uns wenn Sie weitere Informationen zu dieser Aufgabenstellung aus dem Bereich der Längenmesstechnik wünschen.

Wir stellen hier eine Übersicht der aktuell verfügbaren und uns bekannten Funk-Messschieber dar.

Funk Messchieber

Hersteller / VertriebProduktbezeichnungModul oder IntegriertFunktechnologieStromversorgungEmpfängerMessbereich, Messgenauigkeit (Ziffernschritt)InfosPreis
rAAArewareM5ModulWLAN
(WiFi, MQTT)
LiIon / LiPo Akkukein spezieller Empfänger notwendig0 - 600 mm; 0,01mm - abhängig vom MessschieberGeeignet für die meisten Mitutoyo Messschieber und Tiefenmesser.
Auch Modelle für Mahr oder RS232 verfügbar.
240 Euro
Hoffmann-GruppeDigitaler Messschieber HCT IP67 mit Bluetooth, GARANT Art.-Nr.: 412780IntegriertBluetooth 4.2Batterie CR2032kein spezieller Empfänger notwendig0 - 150 mm; 0,01 mm224 Euro
MahrMahr 16 EWRi-VIntegriertAnt+ / ProprietärBatterie CR2032enthalten0 - 200 mm; 0,01 mmauch Ausführungen mit deutlich höherem Messbereich verfügbar.220 Euro
Helios-PreisserDIGI-MET® Taschenmessschieber IP67 mit integriertem FunkIntegriertBatterie CR2032enthalten220 Euro
IBRISM-mit1ModulZigbee? / ProprietärBatterieseparat erhältlichfür Mitutoyo (Digimatic)auch Modelle für Mahr oder RS232 verfügbar80 Euro
MitutoyoU-WAVEModulAnt+? / 2,4 GHz / ProprietärBatterie CR2032separat erhältlichbenötigt eigenen Empfänger140 Euro
TESATesa TLCModulAnt+? / ProprietärBatterie CR2032separat erhältlichpassend für TESA TWIN Messschieber165 Euro
SylvacS_Cal EVO SMART - 8101516IntegriertBluetoothBatterie CR2032kein spezieller Empfänger notwendig0 - 150 mm220 Euro
MIB Messzeuge

(Importeur)
Digital-Messschieber inklusive Bluetooth induktives MesssystemIntegriertBluetooth 4Batterie 3Vkein spezieller Empfänger notwendig0 - 150 mm220 Euro
MIB Messzeuge

(Importeur)
MIB Bluetooth DatensenderModulBluetoothBatterie 3Vkein spezieller Empfänger notwendig120 Euro
Messschieber mit Funk-Funktion (Bluetooth, WLAN, Zigbee, Ant+) oder Funk-Module für Messschieber

Auch wenn wir (noch) ein kleiner Hersteller sind brauchen wir uns nicht verstecken und lassen uns gerne mit den “Großen” der Branche in dieser Marktübersicht vergleichen. Der Produktvergleich der Messschieber zeigt: Die einzigen die echtes IIoT, MQTT und WLAN beherrschen sind wir. Die anderen können immerhin Bluetooth für kurze Distanzen oder etwas längere Distanzen mit proprietären Protokollen und separat erhältlichen Empfängern.

Dieser Artikel wurde im Dezember 2020 erstellt nachdem im “Industrial Outlook” der Vogel-Mediengruppe ein Bluetooth Messschieber der Fa. Garant vorgestellt wurde. Es verwunderte uns, dass dies als eine Neuheit vorgestellt wurde – wo wir doch seit über 2 Jahren “echte” WLAN Messmodule fertigen. Und überhaupt: Bluetooth ist nun wirklich nichts neues mehr.

Wir haben diese Tabelle und den Vergleich nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Trotzdem gilt: Alle Angaben sind ohne Gewähr. Informieren Sie sich bei Fragen bei uns oder bei den anderen Herstellern der Messmittel. Einige genannte Marken oder Bezeichnungen sind vermutlich eingetragene Marken der Hersteller. Wir besitzen hier keine Markenrechte und verwenden die Namen unter Respektierung der Markenrechte der Eigentümer.

Infrarot Thermometer (PIR Thermometer, Passive Infra Red Thermometer oder Pyrometer) werden in der Industrie eingesetzt um Temperaturen berührungslos zu messen. Im Gegensatz zu unseren Messmodulen für lineare Längenmessung gibt es hier eine große Auswahl an Produkten am Markt. Jedoch gilt auch hier: Die meisten Geräte besitzen keine Möglichkeit die erfassten Messwerte per Funk an einen PC oder ein Smartphone weiterzugeben. Einige wenige Modelle besitzen ein eingebautes Bluetooth Funkmodul über welches sich die Daten an eine proprietäre Software übertragen lässt. Dies alles ist nicht wirklich industrietauglich oder Industrie 4.0. Gleichzeitig ist es jedoch die Gelegenheit für uns, auch hier ein entsprechendes Infrarot Thermometer zu entwickeln.

Ansicht des WLAN Infrarot-Thermometers von oben
Ansicht des WLAN-PIR-Thermometers von unten
  1. PIR Sensor (90° um die Y-Achse drehbar)
  2. Bildschirm (OLED Display)
  3. Anzeige der Funkverbindung (WLAN Signalstärke)
  4. Anzeige des Akku-Ladestandes
  5. Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer Akkumodul
  6. Multifunktionssteckverbindung für Akku oder Peripherie
  7. Hauptschalter für die Spannungsversorgung
  8. Messtaste für manuelle Messungen und Multifunktionstaste

Die Alleinstellungsmerkmale unseres Infrarot Thermometer für industriellen Einsatz sind:

  • Echtes WLAN. Direktes Verbinden des Infrarot Thermometers mit einem WLAN/WiFi Netzwerk.
  • Sichere Funkübertragung auch unter schwierigen Bedingungen.
  • MQTT Datenprotokoll.
  • Sehr kleine Bauweise durch hohe Integration der Bauteile.
  • Sensorausrichtung um bis zu 90° drehbar.
  • Montagemöglichkeiten für Wandmontage oder Montage auf Lochblech.
  • Lange Laufzeit durch Lithium-Ionen Akku (LiIon).
  • Schnellwechselsystem für den Akku.
  • Große Auswahl an Ladestationen für den Akku.
  • Hohe Konfigurationsmöglichkeit durch den Kunden durch unsere agile Fertigung.

Die Authentifizierung des Thermometers am WLAN Netzwerk erfolgt über Angabe der SSID und des Passwortes. Über WPA2 werden die übertragenen Daten sicher vor unbefugtem Zugriff geschützt.

Die Weitergabe der Daten erfolgt im offenen MQTT Protokoll. Das MQTT Protokoll wurde entwickelt, um Messdaten einfach und zuverlässig auch über große Distanzen sicher zu übertragen. Die MQTT “Empfangsstation” wird MQTT Broker oder MQTT Server genannt. Diese Software ist als freie Software kostenlos auf für die kommerzielle Nutzung verfügbar. Über einen MQTT Client lassen sich sämtliche Anwendungen zur Messdatenverarbeitung realisieren: Sei es die Weiterverarbeitung in einem nachgelagerten Prozess für die Qualitätssicherung oder auch nur die direkte Eingabe der Messwerte in z.B. eine Tabellenkalkulation wie LibreOffice oder Excel.

Funktionsweise des PIR Funkthermometer

Das Funk-Thermometer kennt 2 Betriebsarten:

  • Konfiguration
  • Messen

In der Betriebsart [Konfiguration] öffnet das Thermometer einen WLAN Access Point. Über diesen kann ein beliebiger Client eine Verbindung zum Thermomenter herstellen. Über diese Verbindung kann dann die gewünschte Konfiguration auf das Messgerät übertragen werden.
Der primäre Sinn der Konfiguration besteht darin, das Modul für den Zugriff auf einen MQTT Server zu konfigurieren.
Die Konfiguration wird normalerweise über unser Konfigurationsprogramm durchgeführt. Dort können alle erforderlichen Parameter eingestellt werden.

Nach erfolgreichem Laden einer Konfiguration startet das Modul in der Betriebsart [Messen]. Der eigene WLAN Accesspoint wird hierzu dann deaktiviert.
Stattdessen versucht das Modul sich mit dem konfigurierten WLAN Accesspoint zu verbinden. Die Authentifizierung erfolgt hierbei über WPA2/PSK.
Nach erfolgreicher Verbindung mit dem Accesspoint wird versucht eine Verbindung mit dem konfigurierten MQTT Server herzustellen.
Ist diese Verbindung erfolgreich kann das Messgerät direkt über MQTT Botschaften versenden und empfangen.

Über eine Softwarefunktion oder über die Servicetaste am Messmodul lässt sich das Messgerät wieder in den Konfigurationsmodus versetzen [Factory Reset].

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.

Technische Daten

WertEinheit
Länge (PIR Sensor auf 0°)110mm
Breite (incl. Akku-Modul)38mm
Höhe (PIR Sensor auf 0°)26mm
Gewicht (incl. Akku-Modul)90g
Akkukapazität des Akku-Moduls650mAh

Unser Know-how und unsere Leidenschaft ist Funktechnik, WLAN und MQTT. Für die Sensorik der Temperaturmessung vertrauen wir auf bewährte Hersteller von Industriellen Sensoren zur Temperaturerfassung. In der Standardausführung verwenden wir Infrarotsensoren der Baureihe MLX90614 der Fa. Melexis N.V aus Belgien.

Die Daten dieser Sensoren sind:

MLX90614 VarianteWertEinheit
Messbereich (Objekttemperatur)-70 – 380°C
Umgebungstemperatur (Variante E)-40 – 85°C
Umgebungstemperatur (Variante K)-40 – 125°C
Messauflösung0,02°C
Genauigkeit (0-50°C)0,5°C

Die exakten Daten der Sensoren können direkt im Datenblatt des Herstellers abgerufen werden.

Wir freuen uns über Kundenwünsche und können auch andere Sensoren in unser Funkthermometer integrieren.

Funkstandards bei IoT / IIoT Technologien für Industrie 4.0

Bei der Anbindung von Messmitteln an eine IIoT Industrie 4.0 Infrastruktur stellt sich immer wieder die Frage, auf welchen Funkstandard oder Funktechnologie man setzen kann, soll, muss oder darf. Inzwischen bewerben sich viele verschiedene Protokolle und/oder Standards wie WLAN / Wi-FI, Bluetooth, Ant+ oder ZigBee um den Einsatz in der Fabrikhalle oder Fertigung. Hersteller entscheiden sich für einen dieser Standards oder verwenden einen ganz eigenen – wie das U-Wave von Mitutoyo – obwohl auch diese Ansätze dann wieder auf Standards wie IEEE 802.15.4 aufsetzen.

Wenn ein Unternehmen IIoT in der Produktion umsetzen will kommt es nicht umher sich mit diesen Funkstandards auseinander zu setzen. Wer dies nicht tut endet in einem Chaos von Systemen und eventuell instabilen oder sich gegenseitig beeinflussenden Funksystemen. Gleichzeitig hilf es nicht weiter überhaupt nichts zu tun oder sich einfach stoisch für ein System zu entscheiden. Im 2. Fall wird man festzustellen, dass viele gewünschte Dinge dann einfach nicht umsetzbar sind. Es gilt die beste Lösung zu finden und auch Kompromisse zu machen um die Herausforderungen der IoT in der Automatisierungstechnik erfolgreich umzusetzen.

Mit einem Vergleich und einer Gegenüberstellung der verschiedenen Funksysteme mit industrieller Eignung versuchen wir etwas Licht in dieses Thema zu bringen.

Wir sind ein Hersteller von WLAN-Modulen für die Messtechnik und sicherlich keine wissenschaftlichen Nachrichtentechniker. Aber gerade dies ermöglicht uns einen praxisorientierten Blick auf die Thematik welchen wir durch unsere langjährige Erfahrung in der Zusammenarbeit mit unseren Industriekunden verfestigen konnten.

Sie können unseren Artikel zu Funkstandards bei IoT / IIoT Technologien für Industrie 4.0 hier lesen oder downloaden.

Rechtliches

Einige Namen in diesem Text können Urheberrechtlich geschützt sein.
Bluetooth ist eine eingetragene Marke der Bluetooth SIG, Inc.
ANT+ ist ein eingetragene Marke der ANT Alliance bzw. Garmin.
Zigbee ist eine eingetragene Marke der Zigbee Alliance, USA.
Wi-Fi ist eine eingetragene Marke der Wi-Fi Alliance.
Wir weisen darauf hin, dass wir keine Rechte an diesen Namen haben oder beanspruchen, diese Namen nur redaktionell zur Erklärung verwenden und keine Verbindung zu den Firmen mit den Namensrechten haben.

Installation und Betrieb eines MQTT Brokers (Server) auf Android

Einleitung

Die Kommunikation bei MQTT wir über einen zentralen Server abgewickelt. Dieser Server steht normalerweise im “Backend”: Über eine Adresse ist er bekannt – alles weitere interessiert den MQTT Anwender dann nicht mehr. In der Praxis läuft dieser Server (MQTT Broker genannt) dann entweder in der Cloud – also einem entfernten Dienst eines Dienstleisters oder auf einem eigenen Server. Der eigene Server kann dann etwas Großes oder Kleines sein. Etwas großes wäre der dicke Server im Keller. Etwas kleines wäre z.B. ein Raspberry Pi welcher mit Open-Software ausgestattet z.B. lokal in einer Fertigungsanlage oder in der Linie positioniert ist.

Es ist jeweils für den aktuellen Anwendungsfall zu entscheiden was das zweckmäßigste ist. Normal ist jedoch, dass viele MQTT Devices über diesen Server kommunizieren und ihre Daten bereitstellen, abrufen und austauschen.

Nun kommen wir zum nicht normalen Fall: Es gibt Anwendungsfälle, in welchen schlicht kein klassischer Server gewünscht ist. Zum Beispiel sollen nur einige Messuhren ihre Werte auf ein Tablet liefern, damit diese dort dann angezeigt und gespeichert werden können.

Messuhren mit anderer Funktechnik wie Bluetooth oder Zigbee scheiden aus, da hier keine universellen Standards eingesetzt werden können und zudem beim Wechseln von Tablet oder Messuhr eine umständliche Kopplung durchgeführt werden muss.

Die Lösung ist es, direkt auf dem Tablet einen MQTT Broker einzusetzen. Mit diesem können sich die Messuhren einfach verbinden. Der auf dem Tablet programmierte Client kann direkt den lokalen Broker abfragen um die Werte der Messuhren zu erhalten.

Vorhandene MQTT Broker

Eine Liste der wesentlichen MQTT Broker-Implementationen ist auf Github zu finden.

Es ist nicht weiter verwunderlich, dass hier kein Broker für Android zu finden ist, da Android ein Client-Betriebssystem ist – und ein MQTT Broker eben eine Server Anwendung.

Eine Suche im Google Playstore listet zwar einige MQTT Broker auf – diese haben jedoch keine allzu guten Reputationen. Unsere Versuche mit diesen Brokern blieben Versuche: Von einem ernsten industriellen Einsatz raten wir ab. Zu unstabil, mit Werbung versehen und fragwürdige Herkunft bei geschlossenen Quellen sind keine Basis für einen industriellen Einsatz.

Der wahrscheinlich am häufigsten verwendete MQTT Broker ist der Mosquitto Broker der Eclypse Foundation. Dieser Broker läuft auf einigen Betriebssystemen – ab liebsten und häufigsten sicherlich auf Linux.

Android ist wie gesagt ein Client-Betriebssystem und der Betrieb eines Servers ist dort nicht unbedingt vorgesehen. Da Android jedoch nicht mehr als ein modifiziertes Linux ist kann der Weg zu einem Linux Server nicht all zu weit sein.

Die Lösung sieht also folgendermaßen aus und ist entsprechend einfach:
Wir installieren eine Linux-Terminal Emulation auf Android. In dieser Emulation können wir dann den Linux MQTT Broker installieren und betreiben.

Mosquitto MQTT Broker Installation auf Android

Hier also die Schritt-für-Schritt Anleitung zur Installation.

Alle eingesetzten Produkte sind OpenSource Programme und kostenlos verfügbar. Die Quellen aller Programme sind frei verfügbar. Alle Programme sind keine Exoten sondern von einer großen Gemeinschaft professionell entwickelte Produkte.

Installation von Termux

Das Programm Termux wird installiert.
Empfohlen über F-Droid oder Google Playstore.

Wenn F-Droid für die Installation gewählt wurde müssen auch die unten aufgeführten Zusatzmodule unter F-Droid installiert werden. Gleiches gilt für den Google Playstore. Die Termix-Installationen müssen also alle aus dem gleichen Store kommen – ansonsten werden Sie in verschiedenen Bereichen installiert und finden sich nicht gegenseitig.


Abhängig von der geplanten Betriebsweise werden zudem Zusatzmodule von Termux benötigt: Soll der Broker über ein Symbol auf dem Startbildschirm (Application Launcher) gestartet werden wird das Zusatzmodul Termux:Widget benötigt. Soll der Broker bei jedem Start des Gerätes automatisch gestartet werden benötigen wir das Modul Termux:Boot. Die Links zu den Modulen in den Android-Anwendungsstores:
Widget: Termux:Widget in F-Droid und Termux:Widget im Playstore.
Boot: Termux:Boot in F-Droid und Termux:Boot im Playstore.

Installation von Mosquitto

Nach der Installation von Termux wird Termux geöffnet / ausgeführt.

Es erscheint eine Eingabeaufforderung. Hier können nun die weiteren Befehle eingegeben werden. Zur Installation von Mosquitto reicht eine Zeile (Return nach der Eingabe):

pkg install mosquitto

Eventuelle Nachfragen alle einfach mit “Return” bestätigen: Wir benötigen keine besonderen Einstellungen.

Weiter benötigen wir später noch einen Text-Editor, also installieren wir diesen:

pkg install nano

Optional kann natürlich auch ein anderer Editor installiert werden oder mit den entsprechenden Kenntnissen ein Android-Editor verwendet werden.

Ausführen des MQTT Brokers

Damit der Broker einfach ausgeführt werden kann, legen wir entweder eine Verknüpfung auf dem Startbildschirm an oder veranlassen Termux das Laden des Dienstes direkt beim Systemstart.

MQTT Broker über Startsymbol starten

Im Termux Terminal geben wir ein:

mkdir -p $HOME/.shortcuts
nano $HOME/.shortcuts/mosquitto.sh

Im Nano Texteditor dann

mosquitto

Abgeschlossen mit einem “Return”. Den Editor dann mit Strg-X und “Y” beenden und speichern.

Abschliessend

chmod +x $HOME/.shortcuts/mosquitto.sh

eingeben, damit das Script die Berechtigungen zum Ausführen erhält.

Nun sollte im Android Launcher ein Widget mit dem Namen “Termux” vorhanden sein. Dieses kann nun auf den Startbildschirm positioniert werden. Nach Auswahl des Widgets kann das angelegte Script “mosquitto.sh” ausgewählt werden. Dieses Script ist nun dem Widget zugeordnet. Bei jedem Start über das Symbol wird also das Script ausgeführt, welches wiederum den Mosquitto Server ausführt.
Detailinfos zum Widget auf der Termux:Widget Wiki Seite.

Wenn Android Widgets völlig fremd sind hilft eine Suche zu allgemeinen Widget Themen.

MQTT Broker beim Android Systemstart starten

Die oben schon installierte Termux:Boot Anwendung muss nach der Installation einmalig gestartet werden damit die Anwendung sich als Boot-Dienst registriert.

Anschliessend legen wir analog zum Widget-Start ein Mosquitto Start Script im dafür vorgesehenen Verzeichnis ab. Im hier gezeigten Beispiel fügen wir noch die Zeile “termux-wake-look” ein: Diese verhindert, dass Android in den Standby-Modus wechselt, so dass unser Broker durchgehend läuft.

Im Termux Terminal geben wir ein:

mkdir ~/.termux/boot
nano ~/.termux/boot/mosquitto.sh

Im Nano Texteditor dann

#!/data/data/com.termux/files/usr/bin/sh
termux-wake-lock
mosquitto

Abgeschlossen mit einem “Return”. Den Editor dann mit Strg-X und “Y” beenden und speichern.

Diese Datei wird nun über Termux:Boot beim Systemstart geladen und ausgeführt und sollte den Mosquitto Broker starten.

Rechtliches

Bluetooth ist eine eingetragene Marke der Bluetooth SIG, Inc.
Wi-Fi ist eine eingetragene Marke der Wi-Fi Alliance.
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.

Entstanden aus einer Projektanforderung haben wir ein externes Display für Messuhren im Lieferprogramm. Das Angebot für eine einfache, externe Messwertanzeige für Messuhr oder Messschieber ist am Markt sehr übersichtlich. Entsprechend bedienen wir mit unserem Produkt diese Niesche für Anwendungsfälle in welchen ein eigener PC, Smartphone oder Tablet als überdimensioniert ausscheiden.
Das Stand-Alone Display mit TFT Farbbildschirm kann als externe Messwertanzeige für Messmittel wie Messuhr, Messschieber oder Bügelmessschraube verwendet werden.
Als Protokoll wird das Mitutoyo Digimatic Protokoll oder auch ein serielles Protokoll wie es z.B. von Mahr-Messuhren verwendet wird unterstützt.
MQTT und WLAN für Messmittel sind unsere Passion. Dennoch gibt es Anforderungen, in welchen eine kabellose Übertragung nicht gewünscht oder notwendig ist.
Entsprechend kann dieses Module auch über ein Kabel mit dem Lift verbunden werden. Optional ist natürlich auch hier ein kabelloser Betrieb und eine Funkverbindung zum Messsystem über WLAN möglich. Was letztendlich auf dem TFT Farbdisplay angezeigt wird kann im Rahmen eines Kundenprojektes definiert werden. Der Fantasie des Kunden sind hier
keine Grenzen gesetzt. Denkbar ist eine grafische Visualisierung der Messwerte mit z.B. Balkenanzeigen oder Zeigerinstrument genauso wie eine Messhistorie in Form einer Verlaufsgrafik oder Historienansicht. Trotzdem ist zu bedenken, dass es sich um ein einfaches Display handelt: Sehr aufwendige Visualisierungen von Messwerten lassen sich nach wie vor deutlich einfacher, schneller und besser mit einem PC und PC-Programm umsetzen. Hier haben wir genug Erfahrung um jeden Visualisierungswunsch
umzusetzen.

Optional beinhaltet das Display einen zusätzlichen Steuereingang für unseren elektromechanischen Messuhr-Anheber.
Damit lässt sich über ein externes Signal der Messfühler anheben oder absenken.
Bei angehobenem Messstift wird auf dem Farbdisplay ein blauer Pfeil dargestellt.
Bei abgesenktem Messstift wird der aktuelle Messwert der Messuhr in rot oder grün dargestellt.
Bei nicht angeschlossener oder ausgeschalteter Messuhr wird ein rotes diagonales Kreuz angezeigt.
Das Produkt wurde nach unserer Philosophie der agilen Fertigung umgesetzt.
Dies bedeutet z.B. dass das Gehäuse in ABS gedruckt wird und nur einfache Standardkomponenten verwendet werden.
Dadurch wird eine lange Teileversorgung sichergestellt. In Bezug auf die Kabelverbindungen bedeutet es, dass einfache Standardkabel in fertig konfektionierter Länge direkt verwendet werden können.
Weiter können spezielle Kundenanforderungen einfach umgesetzt werden.

Projektbeispiel

In diesem Projektbeispiel zur automatisierten Messung über IoT Messmittel werden 4 Messuhren mit automatischem Anheber des Messtaster verwendet. Die Messwerte werden zentral auf einer externen Anzeige dargestellt.

Alle 4 Mitutoyo Absolute Messuhren der Messeinrichtung sind per Kabel an die externen Displays angeschlossen. Über einen Schalter lassen sich die Messuhren zentral anheben und absenken sobald das Werkstück vom Werker in die Montageeinrichtung eingelegt ist. Die Messwerte werden an zentraler Stelle über die externe Anzeige visualisiert. Die Anlage kann dahingehend automatisiert werden, dass sowohl die Verarbeitung der Messwerte als auch das Anheben oder Absenken der Messuhr-Taster über externe Signale z.B. über MQTT gesteuert werden. Somit ist auch ein komplett autonomer Betrieb über Roboter und Steuerung möglich.

Alternativen

Eine Alternative zu einem autonomen externen Display stellt ein Smartphone oder Tablet als Anzeige dar. Auch dieses kann über ein Adapterkabel direkt an eine Messuhr angeschlossen werden. Neben der reinen Anzeige lassen sich hier dann noch weitere Funktionen auf dem Betriebssystem des mobilen Rechnern einfach umsetzen.

Rechtliches

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

Vielleicht konnten Sie auch schon Produktflyer oder Anzeigen zur neuen Mitutoyo Smart Factory sehen:
Unser erster Gedanke war: Prima, auch Mitutoyo macht nun auf IIoT/IoT.
Im Prinzip ist es so, doch ist es viel eher eine Anwendung für unsere Messuhrmodule als ein Ersatz. Nach wie vor finden wir keine IoT Funkmodule für Mitutoyo Messuhren.

Die von Mitutoyo beworbene Software zielt eher auf das Messtechnik-Backend als auf die Handmesstechnik und deren Verbindung zum Prozess.
Die Messwerte können in der Software zentral verwaltet werden. Die erfassten Messungen werden mit ihren Werten gespeichert und die Verläufe können eingesehen werden.

An die Software können Mitutoyo Messgeräte (Handmessmittel / Small Tool Instruments) wie Messuhren oder Bügelmessschrauben einfach angebunden werden. Allerdings gibt es von Mitutoyo weiterhin keine direkt WLAN fähigen Messgeräte.
Zumindest liefert die Suche auf der Mitutoyo Seite (Stand 09/2020) weder zu WLAN noch zu MQTT etwas.
Es ist davon auszugehen, dass wenn ein Messgerät direkt als IoT Device an eine Cloud, einen Prozess oder ganz allgemein eine Software angebunden werden soll weiterhin kein Weg an unseren Produkten vorbei führt.
Das freut uns.
Weiter ist es dann egal, ob diese verarbeitende Software von Mitutoyo, von einem anderen Anbieter, von Ihrer IT selbst oder von uns stammt.

Ob Mitutoyo mit dieser Software erfolg haben wird ist aus unserer Sicht fraglich. Die abgedeckten Funktionen der Datenverarbeitung von Messwerten ist ein Punkt, welcher in vielen Unternehmen sehr individuell behandelt wird. Ob diese Aufgabe mit den vorhandenen Funktionen dieser Standardsoftware abgedeckt werden kann ist fraglich. Standards wie MQTT als Datenbroker vermissen wir in der Software. Wenn schon Standardsoftware, dann sollte diese offene und transparente Schnittstellen haben – um z.B. die Daten einfach an andere Systeme wie z.B. SAP oder Q-DAS / qs-STAT weitergeben zu können.

Rechtliches

Mitutoyo, Digimatic und MeasurLink 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.
Die Angaben über Mitutoyo Produkte sind ohne Gewähr. Im Zweifel bitte direkt bei Mitotoyo nachfragen und um eine Beratung bitten.

Agile Entwicklung und Fertigung für die Industrie

Wir betreiben Produktentwicklung und Fertigung als kleines Unternehmen. Dies ist in der heutigen Zeit vielleicht exotisch, denn klassische Produktentwicklung bedeutet einen großen Zeitaufwand und hohe Entwicklungskosten für die erforderlichen Prozesse und Komponenten.

Keine Zeit und kein Geld ist auf der anderen Seite die Situation, in welcher sich gerade Startups zu Beginn ihrer Laufbahn befinden.

Wir sind zwar durch unsere langjährige Erfahrung und unseren Erfolg in der industriellen Softwareentwicklung finanziell und personell gut ausgestattet – trotzdem gelten die oben genannten Punkte auch für uns.

Kurzum: Wir haben aus der Not eine Tugend gemacht und sind nun mit unseren Produkten und unserem Vorgehen zufrieden. Was noch wichtiger ist: Unsere Kunden sind es auch.

Doch betrachten wir unser Vorgehen etwas näher und im Detail:
Für unsere industriellen IoT Produkte im Bereich der Messtechnik mit IIoT-Sensoren und IIoT-Aktoren benötigen wir die Komponenten [Gehäuse], die [Elektronik] und die [Software].
Alle diese Grundkomponenten zu Entwickeln ist entweder nur bei sehr großen Stückzahlen oder bei einem sehr hohen Produktpreis wirtschaftlich.
Deshalb versucht eine Produktionsfirma für industrielle Komponenten diese 2 Parameter zu optimieren:

  • Fertigung möglichst hoher Stückzahlen eines einzelnen Produktes
  • Möglichst lange Produktzyklen

Genau dies machen wir anders. Deshalb sehen unsere Produkte im direkten Vergleich vielleicht etwas anders aus als die unserer Mitbewerber. Hier erklären wir warum wir einiges anders machen:

Messuhr Konstruktionszeichnung in 3d-Ansicht

Agile Produktentwicklung

Wir kommen aus der Softwareentwicklung.
Hier war es vor langer Zeit auch so, dass die Produktzyklen sehr lange sind.
Eine Software war eine sehr langfristige Investition.
Entsprechend war ein ähnliches klassisches Vorgehen angebracht.
Bei der Entwicklung von Software hat hier in den letzten Jahren ein Umdenken stattgefunden.
Das klassische Wasserfallmodell findet nicht mehr überall Anwendung.
In vielen Bereichen wird Software als ein dynamischer und flexibler Prozess verstanden.
Die agile Softwareentwicklung hat sich hier zumindest für einige Bereiche durchgesetzt – sicherlich auch mit dem einen oder anderen Nachteil.
Unter Betrachtung der sich daraus jedoch auch ergebenden Vorteile haben wir unsere Produktentwicklung auf eine agile Entwicklung abgestimmt.

Zeigt den Kreislauf einer agilen Entwicklung mit den einzelnen Entwicklungsschritten

Prinzip einer agilen Vorgehensweise

Dies bedeutet im auf ein Produkt übertragenen konkreten Fall:

  • Alle Gehäuse werden auf 3D Druckern gedruckt.
    Der Preis für ein Gehäuse vervielfacht sich dadurch zwar vom Cent-Bereich auf vielleicht einen Euro.
    Es liefert jedoch dafür den Vorteil, jederzeit Verbesserungen und Weiterentwicklungen am Gehäuse und Aufbau vornehmen zu können.
    Weiter können spezifische Kundenwünsche unkompliziert und schnell umgesetzt werden.
  • Als Elektronik-Bauteile werden nur Standard-Komponenten eingesetzt.
    Dies stellt auch bei kleinen Losgrößen und dynamischer Entwicklung sicher, dass eine lange und sichere Ersatzteilversorgung gewährleistet ist.

  • Die Software der Komponenten wird konsequent agil umgesetzt.
    Es werden wo möglich Standards mit Standard-Bibliotheken eingesetzt.
    Die Build-Prozesse sind automatisiert und Toolchains erstellen einfach und schnell neue Versionsstände.
    Neue Versionen können auf Wunsch und bei Bedarf einfach direkt aus der Ferne installiert werden.

Über alle Bereiche hinweg wird eine Dokumentation und Versionierung in hoher Präzision umgesetzt.
Dadurch ist es auch bei vielen Produktvarianten sicher möglich, jeden einzelnen Versionsstand zu reproduzieren und nachvollziehen zu können.

Dies alles vereint bedeutet ein leistungsfähiges Produkt in kleinen Stückzahlen zu vermarkten und mit kurzen Produktzyklen Innovationen sehr schnell in die Produktion einfliesen zu lassen.

Weiter lassen sich individuelle Kundenwünsche sehr einfach und zielgerichtet realisieren.
Dies beginnt bei Farbe und Material für das Produktgehäuse und endet bei eigenen Funktionen oder Schnittstellen in der Software.

Unsere Grundsätze

Unsere Produktentwicklung folgt weiteren wichtigen Grundsätzen um ein zuverlässiges und langlebiges Produkt für die Messtechnik zu erstellen.

Einfachheit

So einfach wie möglich. So komplex wie nötig.
Wir erleben es häufig in Projekten, dass Dinge unnötig kompliziert gemacht werden.
Dies versuchen wir mit unseren Entwicklungen zu vermeiden.

Modularität

Eine Veringerung der Komplexität führt unweigerlich zu einer Modularisierung.
Komplexe Themen werden so lange in kleinere Module geteilt, bis jedes für sich einfach zu lösen ist.
Dies führt zu einer einfachere Realisierung und dadurch zu geringeren Kosten.
So einfach ist es.
Durch die Modularität wird das gesamte Implementationsrisiko auf eigene Unterbereiche aufgeteilt.

Eigenständigkeit / Autark

Durch die Eigenständigkeit, also die Vermeidung von unnötigen Abhängigkeiten, wird das gesamte Ausfallrisiko verringert.
Vor allem negative (Seiten-)effekte durch abhängige Module dürfen das eigentliche Modul nicht beeinträchtigen.

Wiederverwendbarkeit / Reusability

Unabhängige und eigenständige Module ermöglichen eine hohe Wiederverwendung einzelner Elemente.
Auch dies spart Kosten und ermöglicht eine preisgünstige Produktentwicklung.

Testbarkeit / Validierbarkeit

Eine dokumentierte Test- und Validierbarkeit eines Systems ist inzwischen Standard und ermöglicht eine kontinuierliche und hohe Gesamtqualität des Produkts.
Modularität ermöglicht deutlich einfachere Modultests.
Gerade bei schnellen Produktzyklen sind automatisierte Tests sinnvoll und notwendig.

Simulationfähigkeit

Eine gute Simulationsfähigkeit der Produktumgebung ist zwingend für Leistungstests, Skalierungstests und Langzeittests.
Deshalb wird die Simulation von Anwendungsfällen von Anfang an mit eingeplant und umgesetzt. Bei Dienstleistungen für die Industrie ist es selten möglich eine reale Produktionsanlage in einem Entwicklungsbereich umzusetzen. Um trotzdem jede Komponente einer Anlage testen zu können ist es unabdingbar, die anderen Komponenten der Anlage soweit möglich zu simulieren.

Offenheit

Die Mindestanforderung einer Produktentwicklung sind offene Schnittstellen.
Diese Offenheit bietet Flexibilität in der Anwendung unserer Produkte und bietet unseren Kunden eine hohe Investitionssicherheit. Wir sind Freunde von Open-Source und bevorzugen Tools und Systeme, welche dem Open-Source Grundsatz folgen. Wir vermeiden die Abhängigkeit von bestimmten Herstellern oder IT-Systemen um jederzeit flexibel auf industrielle Anforderungen reagieren zu können.