Der Umwelt-Spion

Download: spion.zip enthält Windows-Programm SPY.EXE diesen Text und Excel-Auswertungen

Allgemeine Beschreibung

Kurzdaten

Zusatzstecker

Inbetriebnahme

Online-Anwendungen am PC

Offline Datenaufzeichnung

Programmierung mit Spion-Basic

Allgemeine Beschreibung

Der Umwelt-Spion wird einfach an der seriellen Schnittstelle des PCs angeschlossen. Er erhält von dort seine Energie und liefert Informationen. Der Einsatzbereich reicht 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. Sie können ihn einfach in den Kühlschrank legen, um die korrekte Kühl-Funktion zu überprüfen. Oder Sie nehmen ihn mit in den Garten und messen so ganz nebenbei die Lärmbelastung auf ihrer Gartenparty. Falls Sie aber einmal eine kleinen Zeitgeber brauchen, kann der Spion auch diese Aufgabe übernehmen.

Der Umwelt-Spion kann ganz allgemein bei der Erfassung von Messdaten helfen. Sie können nicht nur online (mit angeschlossenem Kabel) am PC wichtige Messwerte wie Temperatur, Beleuchtung und Geräuschbelastung messen, sondern den Spion auch mit dem Einsammeln von Daten an entfernten Orten beauftragen. Oder Sie lassen ihn völlig selbständig bestimmte Grenzwerte überwachen. Dabei können Warnsignale ausgegeben oder auch Schaltzustände beeinflusst werden.

Kurzdaten

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 kW
• 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

Zusatzstecker (I/O)

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. Sie können eine externe Messspannung an den Eingang des Geräts anschließen (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 Umwelt-Spion erscheint ein Blinken im Sekundentakt. Auch ohne angeschlossenen PC können Sie 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. Sie können die LED durch einen Befehl vom PC aus auch ganz einschalten oder ganz ausschalten. Dies gibt Ihnen die Möglichkeit der Informationsausgabe über den Umweltspion. Die LED kann auch mit eigenen Programmen geschaltet werden.
• BEEP. Der Spion enthält einen akustischen Signalgeber, den Sie durch Anklicken der BEEP-Schaltfläche ansteuern können. Der Beeper wird z.B. zur akustischen Warnung bei Grenzwertüberschreitungen eingesetzt.
• Digitalausgang. Der Umweltspion 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. Sie können den Ausgang prüfen, indem Sie ihn mit einem der Eingänge verbinden und sich seinen Zustand anzeigen lassen. Der Ausgang liefert ca. 4V und darf bis ca. 2mA belastet werden.

Inbetriebnahme

Beim ersten Test verbindet man das Gerät 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. 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 übrigens die Software gestartet wurde, beginnt der PC den Akku des Spions zu laden.

Startmenü und Auswahl der verwendeten Schnittstelle 

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, Sie können aber auch eigene Programme schreiben.
Direkt dient zur Durchführung von Messungen bei direkter Verbindung mit dem PC. Es können die eingebauten Sensoren abgefragt werden 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. Sie können die Dauer der Messung und den eingesetzten Sensor wählen. Nach dieser Vorbereitung kann das Gerät dann vom PC getrennt werden und an anderer Stelle seine Arbeit aufnehmen. Später lassen sich die gewonnenen Messdaten in den PC übertragen und auswerten.

Online-Anwendungen am PC

Starten Sie das Programm bei angeschlossenem Spion und rufen Sie das Menü Direkt auf. Hier sehen Sie sofort alle Möglichkeiten des Geräts vor sich. Sie können direkt Messwerte von den eingebauten Sensoren abfragen. Wählen Sie z.B. den Lichtsensor und beobachten Sie die Änderungen des Lichteinfalls. Alle Sensorgrößen werden hier zunächst nur ohne ihre Einheiten als reine Zahlenwerte behandelt. In dieser Form können sie später in der Programmierumgebung z.B. für Vergleiche und Fallabfragen verwendet werden.

 Direkte Lichtmessung mit dem Spion

Am Bildschirm sieht man einen Messwert in einem Zeigerinstrument und als Zahlenwert. Die Lichtstärke 223 bedeutet schon eine große Helligkeit. Eine Abschattung kann direkt beobachtet werden. Jedem Zahlenwert entspricht eine bestimmte Helligkeit in Lux. Eine Umrechnung ist möglich und wird weiter unten gezeigt. Viele Versuche sind aber auch ohne die korrekte Maßeinheit möglich.

Statt einer Beleuchtungsstärke kann auch eine Temperatur oder der Geräuschpegel direkt über interne Sensoren angezeigt werden. Mit Temperaturmessung sind einige kleine Versuche möglich. Als grober Anhaltspunkt für die reale Temperatur kann gelten, dass in Skalenmitte bei einem Zahlenwert von 127 eine Temperatur von 25 Grad erreicht ist.

Lärm-Messungen mit dem Spion arbeiten ab einem bestimmten Grenzwert von ca. 40 dB(A). Sie können auch hier verschiedene sinnvolle Direktmessungen durchführen.

Spannung und Widerstand können nur mit zusätzlichen Anschlüssen bestimmt werden. Eine weitere Anzeige ermöglicht die grobe Kontrolle der Akkuspannung des Geräts. Der Akku mit der Nennspannung 3,6 Volt zeigt einen Wert von 36, wenn er geladen ist. Ganz grob werden hier Zehntelvolt gemessen.

Bei Messung einer externen Spannung entspricht Vollausschlag oder der Zahlenwert 255 der internen Batteriespannung. Das Gerät eignet sich besonders für Vergleichsmessungen. Bei Spannungsmessungen ist Pin 2 der Minusanschluss und Pin 5 der Plusanschluss (vgl. Abb. 2.6). Sie können zum Beispiel Batteriespannungen vergleichen, solange sie kleiner als ca. 4 V sind.

Spannungs- und Widerstandsmessungen mit dem Spion 

Für eine Widerstandsmessung an einem externen Messobjekt gelten ebenfalls die Anschlüsse 2 und 5. Während die Spannungsmessung abhängig von der aktuellen Akkuspannung des Spions ist, liefert die Widerstandsmessung weitgehend unabhängige Werte. In Bereichsmitte (Wert 127) ergibt sich ein Widerstand von 10 Kiloohm. Vollausschlag bedeutet unendlicher Widerstand bzw. eine unterbrochene Verbindung. Auch hier sind verschiedene einfache Versuche möglich.

Der Spion verfügt über einen digitalen Eingang, mit dem direkt Schalter oder andere Kontakte abgefragt werden können. Hierzu ist die Verbindung der Anschlüsse 1 und 2 erforderlich. Das Programm Spy ermöglicht die direkte Beobachtung von Schalterzuständen auch während der laufenden Analogmessungen. Man kann also z.B. gleichzeitig eine Temperatur und einen Schalter beobachten. Der Eingang reagiert bereits auf relativ hochohmige Verbindungen unter ca. 30 Kilo Ohm.

Beim Start des Programms beginnt der Spion mit einem regelmäßigen Blinken der LED im Sekundenraster. Wenn Sie das Gerät vom PC trennen, dauert das Blinken an. Nach etwa 2 Minuten allerdings hört es auf, da der Spion sich selbst ausschaltet. Nach einem Ausschalter suchen Sie daher vergeblich. Im Schlafzustand des Geräts bleiben übrigens verschiedene Einstellungen erhalten. Deshalb ist es z.B. möglich, eine bestimmte Aufgabe vorzubereiten und erst später zu nutzen.

Wenn der Spion am PC angeschlossen ist, können Sie das Blinken durch ein direktes Kommando abschalten. Drücken Sie dazu die Schaltfläche LED 0. Mit LED 1 erhalten Sie ein Dauerleuchten. Die selben Funktionen können Sie später übrigens auch in einem eigenen Spion-Basic Programm ausführen. Auch der eingebaute Signalgeber kann direkt ausprobiert werden. Betätigen Sie die Schaltfläche Beep. Es ertönt ein kurzer Signalton. Ebenso lässt sich die Sleep-Funktion ansteuern. Das Gerät schaltet sich dann ab. Es kann aber mit der Reset-Schaltfläche wieder eingeschaltet werden.

Ein zusätzlicher digitaler Ausgang dient der Steuerung externer Verbraucher. Im einfachsten Fall kann eine weitere Leuchtdiode angeschlossen werden, wobei auch längere Leitungslängen kein Problem sind. Ein zusätzlicher Vorwiderstand ist nicht erforderlich, weil er bereits im Gerät enthalten ist. Die externe LED kann nun vom PC aus ein- und ausgeschaltet werden. Dies ist besonders interessant, wenn eigene Programme eingesetzt werden.

Anschluss einer Leuchtdiode 

Offline Datenaufzeichnung

Oft ist nicht so sehr der momentane Messwert als vielmehr der zeitliche Verlauf einer Messung wichtig. Im Menü Messen können Sie Messwerte erfassen und graphisch gegen die Zeit auftragen. Wählen sie jeweils einen Eingang oder Sensor aus und stellen Sie die gewünschte Messdauer ein. Mit der Schaltfläche START beginnen Sie 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.

Beispiel: Lichtmessungen
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.

Ergebnis einer Messung an indirektem Sonnenlicht

Beispiel: Temperaturmessungen

Die Temperaturerhöhung in zwei Stunden.

Für eine externe Auswertung besitzt das Programm Spy eine einfache Ausgabe über die Zwischenablage von Windows. Drücken Sie einfach die Schaltfläche "Messwerte als Text kopieren". Dabei werden Daten in Tabellenform kopiert und können in andere Programme wieder eingefügt werden. Dies funktioniert in gleicher Weise für Textprogramme und für Rechenprogramme.

Messdaten der ersten zehn Minuten mit Zeiten in Sekunden und Temperaturwerten.

Die linke Spalte zeigt die Messdauer in Sekunden. In der rechten Spalte befinden sich die Temperaturwerte. Diese können nun in echte Temperaturen umgerechnet werden. Man kopiert die Daten dazu z.B. in Excel und fügt die erforderlichen Umrechnungen ein. Auf der Diskette befindet sich ein vorbereitetes Tabellenblatt Temp.xls für Excel 5, das auch in Excel97 oder Excel2000 geladen werden kann. Die Rohdaten werden einfach in die Spalten A und B eingefügt. Man erhält dann sofort die fertige Auswertung.

 Messdaten des Spions in Excel

Programmierung mit Spion-Basic

Spion-Basic ist eine sehr kleine und einfache Sprache. Trotzdem können äußerst sinnvolle Programme erzeugt werden. Die Programmierumgebung des Programms SPY übersetzt kleine Basic-Programme 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.

Programmieroberfläche für Spion-Basic 

Laden Sie zunächst ein fertiges Programm wie z.B. Blink.sbd. Es stellt einen einfachen Blinkgeber dar. Mit der Schaltfläche "Send" wird das Programm in lauffähiger Form in den Spion übertragen und sofort gestartet. Sie sehen nun ein gleichmäßiges Blinken der roten LED.

Wenn Sie nun den Spion vom Stecker des PC abziehen, wird das Programm so lange weiter arbeiten, bis der interne Akku erschöpft ist. Sie können aber den Reset-Taster am Gerät drücken und das Programm damit stoppen. Man sieht dann wieder das kurze Blinken im Sekundentakt. Durch erneutes Drücken des Reset-Tasters kann das Programm aber wieder gestartet werden.

Wenn ein Programm geladen ist, kann es fast beliebig lange bereit gehalten werden. Man stoppt es dazu mit Reset vom PC aus oder am Gerät. Ohne weitere Aktionen schaltet sich der Spion nach etwa zwei Minuten ab. Sie können das Gerät dann erst einmal in den Schrank legen. Bei Bedarf nehmen sie es zur Hand und drücken erneut den Resetknopf. Das alte Programm beginnt dann wieder mit seiner Arbeit. Man muss nur beachten, dass ein laufendes Programm natürlich auf die Dauer den Akku entlädt. Insgesamt kann man bis zu 60 Stunden lang mit dem Gerät arbeiten.

Typische Aufgaben für die Programmierung in Spion-Basic sind:

• Warngeräte für Grenzwertüberschreitungen

• Zeitgeber und Zähler

• Testgeräte für elektronische Bauteile

Zahlreiche Beispiele befinden sich auf der Diskette.

Befehlsvorrat 
Spion-Basic kennt direkte Ausgabebefehle für die Ansteuerung der Hardware.
Ausgang = 1 Einschalten des digitalen Ausgangs
Ausgang = 0 Ausschalten des digitalen Ausgangs
LED = 1 Einschalten der LED
LED = 0 Ausschalten der LED
Beep Erzeugen eines Signaltons

Die wichtigsten Befehle zur Programmsteuerung sind GOTO und END. Weitere Sprungbefehle arbeiten zusammen mit Variablen, die weiter unten vorgestellt werden. Wartezeiten zwischen 1/16 s und ca. 15 s erzeugt man mit dem Pause-Befehl. Mit End wird ein Programm beendet und der Grundmodus eingeschaltet. Mit Sleep schaltet man den Spion ab.

Goto 1 Sprungbefehl

End Rückkehr in den Direktmodus

Sleep Abschalten des Spions

Pause 16 Wartezeit in Einheiten von 1/16 Sekunden

Cmal Goto 2 Zählschleife mit C

Dmal Goto 3 Zählschleife mit D

If A = B Goto Bedingter Sprungbefehl, Sprung wenn A gleich B

If A < B Goto Bedingter Sprungbefehl, Sprung wenn A kleiner B

If A > B Goto Bedingter Sprungbefehl, Sprung wenn A größer B

Spion-Basic kennt vier Variablen A, B, C und D. Sie nehmen grundsätzlich nur Bytes auf, also Zahlen im Bereich 0 bis 255.

A dient der Erfassung von Messwerten. Alle Messungen und die Abfrage des digitalen Eingangs weisen ihr Ergebnis A zu. A erhält immer das Ergebnis von Rechenoperationen. Außerdem kann A ein Byte von der seriellen Schnittstelle abfragen oder aussenden.

A = 100 Zuweisung einer konstanten Zahl

A = B Zuweisung des Inhalts von B

A = A + B Addition

A = A - B Subttraktion

A = A + 1 Inkrementieren

A = A - 1 Dekrementieren

Input A Eingabe von der Schnittstelle

Print A Ausgabe über die Schnittstelle

A = Spannung Spannungsmessung

A = Licht Lichtmessung

A = Temperatur Temperaturmessung

A = Lärm Lärmmessung

A = Widerstand Widerstandsmessung

A = Eingang Lesen des digitalen Eingangs

A = Batterie Messung der Batteriespannung

Lärm aus Abschalten des Mikrophonverstärkers

Alle Messungen mit Sensoren oder Eingängen liefern ihr Ergebnis in A zurück. Man kann in einem Programm mit mehreren Sensoren arbeiten. Bei der Lärmmessung muss beachtet werden, dass intern ein spezieller Verstärker erst eingeschaltet wird. Die erste Messung sollte verworfen werden, weil der Verstärker erst einschwingen muss. Soll nach dem Ende von Lärmmessungen ein anderer Sensor abgefragt werden, dann muss vorher mit "Lärm aus" der Mikrophonverstärker abgeschaltet werden.

Die Variable B dient ausschließlich zum Vergleich mit A (If A > B Goto) und für Rechenoperationen mit A (A = A + B). B kann nur entweder eine Konstante Zahl oder der aktuelle Wert von A zugewiesen werden.

A = B Zuweisung des Inhalts von A

B = 255 Zuweisung einer konstanten Zahl

Beispiel: Langzeittimer

Der Spion kann mit einem geeigneten Programm leicht als Timer eingesetzt werden. Das Programm Timer1.sbd generiert eine Wartezeit von 5 Minuten zum Beispiel für den Einsatz beim Eierkochen. Das Programm schaltet die LED auf Dauerleuchten, so dass man jederzeit einen Überblick hat, ob die Uhr noch läuft. Nach 5 Minuten wird ein dreifacher Signalton erzeugt und die LED abgeschaltet.

Der Pause-Befehl des Umweltspions verwendet ein Zeitintervall von 1/16 Sekunde. Mit Pause 16 erhält man daher eine Sekunde. Eine Wiederholschleife mit 60 Durchläufen erzeugt eine Wartezeit von einer Minute.

PROGRAMM 
 1 LED = 1  
 2 D = 5
 3 C = 60 
 4 Pause 16 
 5 Cmal Goto 4 
 6 Dmal Goto 3 
 7 BEEP 
 8 Pause 8 
 9 BEEP
10 Pause 8
11 BEEP
12 LED = 0
13 END

Listing: Ein 5-Minuten-Timer

Das Programm verwendet zwei Schleifen, die ineinander geschachtelt sind. Die innere Schleife mit der Zählvariablen C erzeugt eine Wartezeit von einer Minute, die D-Schleife wird fünf mal durchlaufen, um insgesamt fünf Minuten zu warten. Nach genau fünf Minuten schaltet sich die LED aus, und ein dreifacher Signalton ertönt. Dann geht der Spion in seinen Grundzustand, was man am Sekundenblinken der LED erkennt. Nach weiteren zwei Minuten schaltet sich das Gerät ganz ab. Es genügt ein Druck auf Reset, um den Zeitgeber erneut zu starten.

Datenprotokoll des Spions

Der Spion hat ein relativ einfaches Protokoll mit einer überschaubaren Anzahl von Kommandos. Alle Kommandos können sowohl im Offline-Modus wie auch im Programm-Modus verwendet werden.

Die serielle Schnittstelle des Geräts arbeitet mit 9600 Baud, 8 Datenbits, 1 Stoppbit und ohne Parity. Über die Handshakeleitungen DTR und RTS steuert man das Aufladen des internen Akkus und den Prozessor-Reset.

Die folgende Übersicht zeigt alle verfügbaren Kommandos.

Kennung

1 Interaface-Kennung : Antwort = 32 (Nur im Direktmodus)

Zuweisungen

2,n A=n

3,n B=n

4,n C=n

5,n D=n

6 A=B

7 B=A

8 C=A

9 D=A

Ausgaben

10 Ausgang=1

11 Ausgang=0

12 LED=1

13 LED=0

14 Beep

15 Print A (Byteausgabe an RS232)

16 Lärm-Power-Off

17 LED blinkt im Sekundentakt

Eingaben

analog

20 A=Spannung

21 A=Licht

22 A=Temperatur

23 A=Widerstand

24 A=Lärm (incl Lärm-Power-ON)

25 A=Ubat

digital:

26 A=Eingang

RS232:

27 Input A (Byte von RS232)

Programmverzweigungen

30,n goto n

31,n C=C-1: if C>0 goto n

32,n pause n

33 end

34,n if A=B goto n

35,n if A>B goto n

36,n if A<B goto n

37,n D=D-1: if D>0 goto n

Rechnen

40 A=A+B

41 A=A-B

42 A=A+1

43 A=A-1

EEPROM

50,adr PutEE Ein Byte ins EEPROM an adr laden

51,adr Programm im EEPROM ab adr starten

Speicherbelegung; 1, max 63 Basic-Tokens

52,adr GetEE Byte von Adr. aus dem EEPROM lesen

Messserie

53 Messserie starten

Speicherbelegung: Kanal 20..24, Time-Hi, Time-Lo, 61 Messwerte Abschalten

128 Power down < 1µA, Aufwecken mit Reset (RTS-Hi-Flanke)

Literatur:
B.Kainka, Messen, Steuern, Regeln mit dem PC in Haus und Garten, Franzis-Verlag 2000