Hubo Hardware

Hubo – die universelle IO Erweiterung für Raspberry Pi, Banana Pi, Orange Pi und Nano Pi

Designziel der Hubo Hardware war es, die Schnittstellen des Raspberry Pi (und ähnlicher Hardware siehe weiter unten) dahingehend zu erweitern, daß dieser direkt für einfache Steuerungs und Regelungsaufgaben eingesetzt werden kann. Großer Wert wurde dabei auf Robustheit, Modularisierung und den Formfaktor gelegt, um einem praxisgerechten Einsatz auch in nicht idealen Bedingungen gerecht zu werden. Bei den verwendeten Bauteilen handelt es sich um Standardchips, um den Betrieb unter etablierter Software (Softwarebibliotheken in Python und C, Heimautomationssoftware etc.) zu ermöglichen.

 

Formfaktor und Robustheit

Alle Hubovarianten sind für den Einbau in Hutschienengehäuse vorgesehen. Die Stromversorgung erfolgt dabei idealerweise ebenfalls über ein Hutschienennetzteil. Da die Raspberry Pi Varianten Zero, A+, B+, 2B, 3B, 3B+ und 4B direkt im Deckel des Hutschienengehäuses verbaut werden können, erfolgt die Stromversorgung des Raspberry Pi über den Hubo. Auf diesem Weg ist zudem sichergestellt, daß es nicht zur strommäßigen Überlastung des Pi durch den Hubo kommen kann. Die Schraubklemmen erlauben den Anschluß von Drahtstärken bis 1,5qmm. Das Layout der Platine wurde so gestaltet, daß die Funktionalität auch bei einem Einsatz in nichtidealen Bedingungen (mit Störquellen belastete Umgebung, lange Leitungslängen der angeschlossenen Sensoren, Schaltschränke…) in weiten Grenzen gewährleistet werden kann. Die höheren Hardwarerevisionen besitzen zudem eine elektronische Sicherung sowie einen Überspannungsschutz für den 1wire Bus. Die Option Varistoren nachrüsten zu können, erlaubt einen weiteren Schutz der Relaiskontakte, z.b. beim Schalten induktiver Lasten.

 

Funktionalität

Die volle Ausbaustufe des Hubo Maxi verfügt über 8 analoge Eingänge (2,5V), 8 digitale Eingänge und 7 (8) digitale Ausgänge. Letztere stehen als 3 (4) Transistorausgänge mit offenem Kollektor und 4 Relaisausgängen zur Verfügung. Der 1wire Bus erlaubt den Anschluß vielfältiger 1wire Hardware, nicht zuletzt auch der Temperatursensoren DS18x20. Weitere Schnittstellen erlauben die Nachrüstung einer DS3231-Echtzeituhr sowie eines 433MHz Funkmoduls welches u.a. auch den Betrieb von Funksteckdosen ermöglicht.

 

 

Modularisierung und Erweiterbarkeit

Neben den analogen und digitalen Schnittstellen verfügt der Hubo über einen herausgeführten I2C-Bus, was eine Kaskadierung auf bis zu 4 Modulen ermöglicht. In dieser Ausbaustufe stehen dann insgesamt 8 analoge Eingänge, bis zu 32/64 digitale Eingänge und 32/64 digitale Ausgänge zur Verfügung. Die Module werden dabei entweder per Flachbandkabel oder mittels geschirmter Leitung miteinander verbunden. Da der Raspberry Pi selbst nicht über eine Echtzeituhr verfügt, im Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik ein „Bewußtsein über die Zeit“ jedoch unerläßlich ist, besitzt der Hubo Nachrüstoptionen für verschiedene handelsübliche Uhrenmodule.

Weitere Informationen zu den unterschiedlichen Varianten des Hubo finden Sie im Vergleich der Hardwarerevisionen.

 

Hubo Opto – 24V AC/DC Schnittstellen für Großprojekte

„Hubo Opto“ wurde speziell für größere Projekte entwickelt, bei denen eine galvanische Trennung der Eingänge und Ausgänge erforderlich ist. Seine 24V Eingänge erlauben den gemeinsamen Anschluß von Gleich- und Wechselspannungsquellen. Mittels spezieller Filter werden Eingangssignale entstört und Signale entprellt. Die Eingänge und Ausgänge sind verpolungssicher und überspannungsfest.
Die Möglichkeiten der Nachrüstung handelsüblicher Echtzeituhren- und Funkmodule wurde erheblich erweitert. Wie auch alle anderen Hubos verfügt der „Hubo Opto“ über einen 1wire- und I2C-Bus mittels dessen bis zu 8 Module hintereinandergeschaltet werden können. Somit lassen sich bis zu 64 Ein- und Ausgänge realisieren.
Die elektrische und mechanische Spezifikation ist Bestandteil der technischen Dokumentation Hubos.

 

Einer für alle – Kleincomputer für den Hubo

Wenngleich der Hubo zunächst für den Raspberry Pi entwickelt wurde, so kann er ebenso für andere Kleincomputer wie Banana Pi, Orange Pi und Nano Pi verwendet werden. Eine Übersicht der mit dem Hubo getesteten Kleincomputer finden Sie am Ende der Seite zum Vergleich der Hardwarerevisionen. Die Hubo-Library erlaubt eine einfache Konfiguration der Busse (I2C und SPI) für diesen Betrieb.

 

 

 

 

Physik und Informatik verbinden – der Bausatz für Schule und Ausbildungsstätten

Hubo ist kein fertiges Gerät, Hubo ist ein Bausatz. Bei der Entwicklung wurde Rücksicht darauf genommen, daß es auch Elektronikeinsteigern gelingt, den Bausatz erfolgreich zusammenzulöten. Aus diesem Grund finden sich empfindliche Bauteile zumeist gesockelt auf dem Board bzw. wurde die Anzahl unterschiedlicher Bauteile bewußt klein gehalten, um Verwechslungen vorzubeugen. Hubos technische Dokumentation enthält zudem detaillierte Hinweise zur optimalen Reihenfolge des Zusammenbaus. Mittels des vorkonfigurierten Linux-Images läßt sich die Funktionsweise der Hardware anschließend einfach überprüfen.

Hubos digitale Schnittstellen helfen dabei, das Binärsystem leichter zu verstehen, als es ein „trockener“ Informatikunterricht in der Regel zu vermitteln vermag. Ergebnisse binärer Additionen lassen sich unmittelbar über Relais visualisieren; Zähler vermitteln den Aufbau des Zahlensystems und verdeutlichen Überträge. Analoge physikalische Größen wie Lichtstärke, Spannung, Widerstand, Leitfähigkeit u.a. können auf einfachem Weg gemessen werden. Über Widerstandsketten läßt sich praktisch erfahren, was die Theorie zur Reihenschaltung von Widerständen lehrt. Und, und, und… Auch erhalten die Schüler ein Gefühl physikalischer Größen und Störgrößen, wenn z.B. eine Lichtschranke Streulicht empfängt und das (analoge) Meßsignal mehr und mehr im Rauschen untergeht.

Kurzum, Hubo bietet alles, angefangen beim Zusammenbau in der Nachmittags-AG über erste kleine Programmierungen zum Binärsystem bis hin zu Messungen im Physikunterricht. Erstellte Programme können dann den Standard-Unterricht begleiten, um z.B. per Versuch zu belegen, daß die kinetische Energie eines Pendels im niedrigsten Punkt genau dessen potentieller Energie an den Umkehrpunkten entspricht. Und plötzlich erkennt man, daß Physik interessant ist und Informatik kein trockenes Schulfach sein muß, welches man baldmöglichst abwählt.

 

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