Viele Katzenbesitzer kennen das Gefühl: Die geliebte Samtpfote ist mal wieder auf Tour, und man fragt sich, wohin genau die Abenteuer sie wohl führen. Während unsere Stubentiger den Tag mit Fressen und Schlafen verbringen, zieht es Freigänger oft in die weite Welt hinaus. Was tun sie dort? Haben sie eine zweite Familie oder leben sie ein wildes Leben? Fragen über Fragen, die unbeantwortet bleiben – bis jetzt. Dank der unglaublichen Miniaturisierung von Technologie können wir diesen Rätseln bald auf den Grund gehen. Gerhard Peter (@Katzentracker) hat mit seinem Katzentracker GPS LoRa Tracking Board eine Lösung entwickelt, die genau das ermöglicht und die wir uns heute genauer ansehen werden.
Was ist der Katzentracker?
Der Name ist Programm: „Katzentracker“ ist deutsch und bedeutet genau das – ein Tracker für Katzen. Dieses innovative Projekt hat das Ziel, das Mysterium der verschwundenen Katze zu beenden. Es quetscht GPS, einen Beschleunigungssensor, einen Mikrocontroller (MCU) und ein LoRa-Funkmodul auf eine winzige Platine von nur 30 mm Durchmesser – perfekt, um es am Halsband Ihrer Katze zu befestigen.
Dies ist keine leichte Aufgabe. Tatsächlich gibt es auf einer 30-mm-Scheibe kaum genug Platz, um ein LoRa-Antennenlayout richtig zu entwerfen. Und dann muss der Rest der Schaltung auch noch hineingequetscht werden! Werfen wir einen Blick darauf, wie das bewerkstelligt wird.
Das Herzstück: Microchip SAM R34 und LoRaWAN
Die Host-MCU in dieser Plattform ist der Microchip SAM R34 – ein 32-Bit Cortex-M0, ähnlich dem SAM D21 MCU, der zusätzlich einen Sub-GHz-Funktransceiver enthält. Dieser ermöglicht das Senden und Empfangen über drahtlose Netzwerke mit LoRa-Modulation (LoRaWAN), wie zum Beispiel TTN (The Things Network). Das ist ideal für eine Lösung, bei der eine Gateway-Abdeckung erwartet wird.
Die obige Karte mag etwas spärlich aussehen, aber wir müssen bedenken, dass LoRa „Long Range“ ist – bis zu mehreren Kilometern in städtischen Umgebungen sind möglich, und Sichtverbindungen von bis zu 15 km in offenen Gebieten sind typisch!
Modulare Bauweise für Effizienz
Während viele Entwickler sich eher für ein Modul als für eine diskrete SiP-Implementierung entscheiden würden, tut der Katzentracker genau das, indem er ein Modul von Embit – das EMB-LR1276S – verwendet.
Ein Funkdesign auf dieser Platinengröße ist eine echte Herausforderung, und alles, was den Albtraum des Antennendesigns allein minimieren kann, ist ein Segen. Module machen die Dinge insgesamt einfacher zu handhaben.
Es ist großartig, den SAM R34 wiederzusehen – wir haben ihn bereits mit den BastWan Boards von Electronic Cats in Augenschein genommen. Diese Boards verwenden ebenfalls eine modulare Lösung für den R34, diesmal den RAK4260 von RAK Wireless. Das Team hat freundlicherweise auch ein Arduino Core Board Support Package für den R34 SiP veröffentlicht, komplett mit funktionierendem Code und Beispielen, die die Verwendung des LoRa-Funk-Frontends demonstrieren.
Die Herausforderung der Antenne: Präzision auf kleinstem Raum
Eine LoRa-Antenne, die auf so kleinem Raum abgestimmt ist, erfordert einiges an Aufwand und cleverer Ingenieurskunst seitens der Antennenhersteller. Wir sehen jetzt keramikverpackte Komponenten, die die gesamte Magie und Voodoo, die eine gute Antenne ausmachen, auf immer kleinere Flächen packen.
Mit einem ausgewählten Pulse Larsen Bauteil, das nicht nur eine kleine Stellfläche, sondern auch ein platzoptimiertes und fehlerverzeihendes Masseflächen-Layout aufweist, sind Designs wie dieser Tracker nun möglich, ohne die Spezifikationen zu verlassen.
Zum Vergleich hier das erforderliche Layout für ein ähnliches Bauteil eines anderen Herstellers. Beachten Sie, dass dieses Bauteil sogar eine externe Leiterbahn benötigt, um die Antenne zu vervollständigen, die ebenfalls eine zugehörige Massefläche haben sollte, wie unten gezeigt.
Solche Bauteile eignen sich nicht gut für kleine PCB-Layouts, daher müssen wir Peter ein Lob aussprechen, dass er ein so geeignetes Bauteil für dieses Projekt gefunden hat!
Winzige Ortung: Das GPS-Modul im Detail
Wir alle wissen, wie GPS funktioniert, aber vielleicht ist uns nicht allen bewusst, dass es mittlerweile ein GPS-Modul komplett mit Patch-Antenne gibt, das sich problemlos auf Ihrer Fingerspitze platzieren lässt. Der Micro Hornet (ORG1410) von Origin GPS ist wirklich winzig – sie behaupten, das kleinste GPS-Modul der Welt zu sein! Ein Modul mit integrierter Antenne, das nur 10mm² groß ist, ist äußerst beeindruckend.
Schritte zählen für Samtpfoten: Der BMA400 Beschleunigungssensor
Mit einer winzigen Fläche von nur 2mm² ermöglicht der BMA400 dreiachsige Beschleunigungssensor von Bosch Sensortec die Verfolgung von Bewegungen in drei Achsen, während er nur wenig Strom verbraucht und in den kleinsten Bereich der Platine passt. Dieses MEMS-Bauteil weist einen Stromverbrauch von 3,5 μA (typischer Anwendungsfall), eine Schrittzählfunktion bei 4 μA und nur 800 nA im Deep-Sleep-Modus auf! Nicht nur klein im Raum, sondern auch sparsam im Energiebudget!
Zuletzt tauchte dieses Bauteil in einem ähnlich miniaturisierten, modulbasierten ESP32-betriebenen Gerät auf, dem Open SmartWatch Projekt von pauls_3d_things, über das wir letztes Jahr berichteten. Da es sowohl I2C als auch SPI unterstützt, ist es ein cleveres Bauteil, das man im Hinterkopf behalten sollte, wenn der Platz auf der Platine knapp ist.
Ausblick für zukünftige Katzenabenteuer
Obwohl das Katzentracker-Projekt nicht Open Source ist, haben wir einen Einblick in den modularen Designansatz erhalten und hoffen, dass die Beobachtungen anderen helfen können, die daran interessiert sind, ihre eigenen winzigen Katzentracker – oder davon abgeleitete Anwendungen – herzustellen. Der Katzentracker zeigt auf beeindruckende Weise, was mit modernster Miniaturisierungstechnik möglich ist und wie wir unseren neugierigen Katzenfreunden näher sein können, selbst wenn sie auf ihren geheimen Expeditionen unterwegs sind.
Wenn Sie sich das Wiki zu diesem Projekt genauer ansehen möchten, finden Sie es hier! Aktuelle Informationen zum Katzentracker finden Sie außerdem auf Twitter.