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Der Umwelt-Spion

Messdatenerfassung in Haus und Garten

Zunehmende Belastungen der Umwelt und Gesundheit fordern zu verantwortlichem Handeln auch im privaten Umfeld heraus. Wo kann noch Energie gespart werden, wo ist der Wasserverbrauch zu reduzieren, wie lassen sich erneuerbare Energien nutzen und wie lässt sich die Natur am besten schützen. Wer hier die richtigen Entscheidungen treffen will, der muss auch über die richtigen Informationen verfügen. Die Erfassung wesentlicher Messdaten wird daher immer wichtiger. Als Hilfsmittel wurde ein kleiner Messcomputer und Datenspeicher entwickelt, der seinem primären Einsatzbereich entsprechend der "Umwelt-Spion" genannt wurde.

Das Gerät wird einfach an der seriellen Schnittstelle des PCs angeschlossen. Es erhält von dort seine Energie und liefert Informationen. Der Einsatzbereich ist vielfältig: von der Temperaturmessung über Licht, Lärm und Spannungsmessung bis zum Einsatz als kleines, programmierbares Steuergerät. Das entscheidende ist, dass der Umwelt-Spion auch ohne den PC arbeitet. Er kann einfach in den Kühlschrank gelegt werden, um die korrekte Kühl-Funktion zu überprüfen. Oder er wird mit in den Garten genommen und misst so ganz nebenbei die Lärmbelastung auf der Gartenparty. Falls ein kleinen Zeitgeber gebraucht wird, kann der Spion auch diese Aufgabe übernehmen.

Der Umwelt-Spion kann ganz allgemein bei der Erfassung von Messdaten helfen. Er kann nicht nur online (mit angeschlossenem Kabel) am PC wichtige Messwerte wie Temperatur, Beleuchtung und Geräuschbelastung messen, sondern auch mit dem Einsammeln von Daten an entfernten Orten beauftragt werden. Der Spion kann auch völlig selbständig bestimmte Grenzwerte überwachen und bei Überschreitung Warnsignale ausgeben oder auch Schaltzustände beeinflussen.

Hardware

Der Umwelt-Spion (kurz: Spion) ist ein völlig eigenständiger kleiner Messcomputer mit mehreren Sensoren, Eingängen und Ausgängen. Die Stromversorgung erfolgt über einen internen Akku. Ein Ladegerät ist nicht erforderlich, weil der Akku sich an der PC-Schnittstelle selbständig auflädt. Das Gerät kann direkt vom PC angesteuert werden, um z.B. Messwerte abzufragen. In einem offline-Betriebsmodus werden Messdaten bis zu 24 Stunden lang selbständig erfasst und gespeichert. Sie lassen sich dann später in den PC übertragen und auswerten. Zusätzlich gibt es einen Programmiermodus, in dem der Umweltspion in einer BASIC-ähnlichen, vereinfachten Programmiersprache für eigenständige Mess-, Steuerungs- oder Regelungsaufgaben programmiert wird. Die folgende Aufstellung gibt einen Überblick über die wichtigsten Daten des Geräts.

• Anschluss an die serielle Schnittstelle des PC, 9600 Baud
• Interner Akku 3,6V/60mAh, bis ca. 60h Offline-Betrieb
• Temperatursensor -20...+60°C
• Lichtsensor 1 ... 10000 Lux
• Lärmsensor 40 ... 100 dB(A)
• Spannungsmessung ca. 0...4V
• Widerstandseingang 1...100 k
• Digitaleingang zum Anschluss eines externen Schalters
• Interne LED zur Anzeige des Betriebszustands und Warnungen
• Interner Beeper z.B. als Grenzwertmelder
• ein digitaler Ausgang zum Anschluss von LEDs oder Treibern
• Messwertspeicher für 60 Einzelmessungen in bis zu 60 h
• Programmspeicher für bis zu 30 Programmschritte

Der Umwelt-Spion ist nicht nur für Messungen mit den internen Sensoren, sondern auch für den Anschluss äußerer Messobjekte ausgelegt. Mit geeigneten Verbindungen lassen sich weitere Messungen durchführen.

• Spannung Externe Messspannung können an den Eingang des Geräts angeschlossen werden (Pin1 Minus, Pin 5 Plus, Messbereich bis ca. 4 V). Mit einem geeigneten Zusatzkabel lässt sich z.B. der Zustand von Batterien überprüfen.
• Widerstand Statt der Spannung kann am selben Eingang auch der Widerstand eines extern angeschlossenen Bauteils oder Geräts gemessen werden.
• Digitaleingang Am Anschlussstecker kann zwischen Pin 1 (Masse) und Pin 2 (Digitaleingang) ein Schalter angeschlossen werden, dessen Schaltzustand hier angezeigt wird.

Weitere Zusatzfunktionen des Spions sind die eingebaute Leuchtdiode, ein akustischer Signalgeber und ein zusätzlicher Ausgang zum Steuern von Geräten.

• LED Die Leuchtdiode zeigt zunächst den Betriebszustand des Geräts. Bei eingeschaltetem Spion erscheint ein Blinken im Sekundentakt. Auch ohne angeschlossenen PC kann man den Spion durch Drücken des RESET-Tasters einschalten. Das LED-Blinken erlischt dann nach ca. zwei Minuten, da sich das Gerät ohne Kommandos vom PC wieder ausschaltet. Die LED durch einen Befehl vom PC aus auch ganz einschalten oder ganz ausgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine Informationsausgabe über den Spion. Die LED kann auch mit eigenen Programmen geschaltet werden.
• BEEP Der Spion enthält einen akustischen Signalgeber, der per Software angesteuert werden kann. Der Beeper wird z.B. zur akustischen Warnung bei Grenzwertüberschreitungen eingesetzt.
• Digitalausgang Der Spion verfügt über einen digitalen Ausgang (Pin 3 am Pfostenstecker), der direkt über den PC geschaltet werden kann. Der Ausgang kann z.B. zur Steuerung externer Geräte verwendet werden. Zu Überprüfung wird er mit einem der Eingänge verbunden und ausgelesen. Der Ausgang liefert ca. 4V und darf bis ca. 2mA belastet werden.

Die Software

Inbetriebnahme

Beim ersten Test verbindet man den Spion mit einem seriellen Standardkabel mit einer freien seriellen Schnittstelle. Meist ist dies COM2, wenn COM1 bereits mit der Maus belegt ist. Die primäre Software für den Umwelt-Spion ist das Programm SPY.EXE. Das Programm befindet sich auf der CD zu diesem Buch. Nach dem Start kann die verwendete serielle Schnittstelle COM1 bis COM4 eingestellt werden. Die Voreinstellung ist COM2. Durch Anklicken der entsprechenden Auswahlflächen kann auf eine andere Schnittstelle umgeschaltet werden. Sobald die Software gestartet wurde, beginnt der PC den Akku des Spions zu laden.

Das Programm Spy hat drei Hauptmenüs: Programm, Direkt und Messen. Beim Start erscheint zunächst das Menü Direkt.

Programm dient zum Ausführen spezieller Programme für Zeitgeber, Zähler, Warngeräte usw. Zahlreiche Programme sind bereits vorhanden, es können aber auch eigene Programme geschrieben werden.

Direkt dient zur Durchführung von Messungen bei direkter Verbindung mit dem PC. Es können die eingebauten Sensoren abgefragt oder von außen über den Stecker angeschlossene Geräte überwacht werden. Außerdem lassen sich einige Zusatzfunktionen des Geräte direkt mit der Maus steuern.

Messen ist ein Programmteil zur Durchführung autonomer Messungen mit dem Spion. Die Dauer der Messung und der eingesetzten Sensor kann frei gewählt werden. Nach dieser Vorbereitung wird das Gerät dann vom PC getrennt um an anderer Stelle seine Arbeit aufzunehmen. Später lassen sich die gewonnenen Messdaten in den PC übertragen und auswerten.

Oft ist nicht so sehr der momentane Messwert als vielmehr der zeitliche Verlauf einer Messung wichtig. Im Menü Messen können Messwerte erfasst und graphisch gegen die Zeit aufgetragen werden. Dazu wird jeweils ein Eingang oder Sensor ausgewählt und die gewünschte Messdauer eingestellt. Mit der Schaltfläche START beginnt die Messung. Das Messergebnis kann nach Ende der Messung ausgelesen und grafisch dargestellt werden. Außerdem lassen sich die Daten in andere Programme übertragen und weiter auswerten.

Ergebnis einer Messung an indirektem Sonnenlicht

Als Beispiel soll eine Lichtmessung gezeugt werden (siehe Bild oben). Es werden über 5 Minuten insgesamt 60 Messwerte erfasst. Dabei erfolgt jeweils nach 5 Sekunden die nächste Einzelmessung. Während der Messung blinkt der Spion im Messtakt, also hier einmal in fünf Sekunden. Das Ende der Messung kann leicht daran erkannt werden, dass nun wieder das Blinken im Sekundentakt einsetzt. Wartet man länger als zwei Minuten, dann schläft der Spion ein. Man muss ihn dann erneut mit dem PC verbinden und einen Reset auslösen, bevor die Daten eingelesen werden.

Gemessene Daten können exportiert und in Excel ausgewertet werden. So erhält man auch eine korrekte Beschriftung der Achsen.

Programmierung mit Spion-Basic

Spion-Basic ist eine sehr einfache Sprache. Man muss sich vor Augen halten, dass nur 64 Bytes im EEPROM des Prozessors zur Verfügung stehen. Was sind 64 Bytes im Zeitalter von Gigabytes! Trotzdem können äußerst sinnvolle Programme erzeugt werden. Die Programmierumgebung des Programms SPY übersetzt kleine Basic-Pro-gramme sehr platzsparend in Tokens, also Zahlen, die für die einzelnen Befehle stehen. Einige Befehle benötigen noch einen Byte-Parameter. Jede Zeile wird also entweder in ein Byte oder in zwei Bytes übersetzt. Insgesamt können Programme also eine maximale Länge zwischen 15 und 31 Zeilen besitzen.

Das Betriebssystem des Spions enthält einen kleinen Interpreter, der Tokens und Parameter aus dem Speicher liest und entsprechende Aktionen ausführt. Alle Befehle funktionieren auch im Online-Modus. Der Anwender kann also Basic-Tokens direkt eingeben und ausführen lassen.

Die Einfachheit der Sprache bringt es mit sich, dass man nicht Zeilen in einen Texteditor eingeben muss, sondern dass komplette Befehlszeilen quasi fertig vorbereitet durch einfaches Anklicken in das Programm übernommen werden. In einigen Fällen muss der Benutzer nur noch einen Parameter auswählen. Auch Konstanten werden durch Anklicken einer Listenposition eingegeben.

Literaturhinweis: Der Umwelt-Spion und seine Anwendung, Programmierung sowie mögliche Hardware-Erweiterungen werden ausführlich vorgestellt in:
B. Kainka, Messen, Steuern, Regeln mit dem PC in Haus und Garten, Franzis-Verlag 2000

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