Der Weg zur CE-Kennzeichnung eines IoT-Produkts – Teil 1: Der Auftakt

In dieser Beitragsreihe wird ein IoT-Produkt begleitet, von der Entstehung des Prototyps über die Testphase und die erforderliche Überarbeitung des Designs, um die CE-Kennzeichnung für den allgemeinen Handel zu erhalten.

Erwähnt man die CE-Kennzeichnung gegenüber einem Techniker, der mit dem Prozess nicht vertraut ist, reagiert dieser entweder mit panischer Angst oder hat keine Ahnung davon, was ihm blüht. Wenn man einmal damit anfängt, dauert es nicht lange, bis man knietief durch den Normensumpf watet und sich fragt, welche Normen denn jetzt für das fragliche Produkt gelten, wie man dieses überhaupt testen muss und ob das gesamte Verfahren so viel Geld verschlingen wird, dass man ein weiteres Darlehen auf sein Eigenheim aufnehmen muss. Mit dieser Beitragsreihe möchten wir aufzeigen, dass der Prozess nicht ganz so beängstigend sein muss.

Das Produkt, das wir für unsere Fallstudie ausgewählt haben, ist eine Plattform für Umgebungssensoren, entwickelt für den Einsatz mit Pycom-Modulen, die einen Mikrokontroller mit LoRa, WLAN, Bluetooth, SigFox und weiteren Funktechnologien verbinden. Wir entwickeln kein Produkt für den Endbenutzer, sondern ähnlich einem Pycom-Modul eine Komponente für die Entwicklung von Endbenutzerprodukten und den Einbau in solche.

Auch wenn unser Produkt weder das schicke Gehäuse noch die Produktionsfirmware oder Serviceintegration hat, die man von einem Konsumgut erwartet, lässt es sich trotzdem auf Herz und Nieren prüfen. Das stärkt das Vertrauen von Technikern und Produktentwicklern, dass sie im Prozess ihrer CE-Zulassung keine Fehler beheben müssen, die in unserem Design gründen.

Was ist CE?

CE entstand als Abkürzung für Conformité Européenne – Europäische Konformität – und bestätigt, dass ein Produkt den relevanten Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltschutzstandards für die im Europäischen Wirtschaftsraum (EWR) verkauften Produkte entspricht.

Wenn wir von der „CE-Kennzeichnung“ sprechen, ist es möglicherweise am einfachsten, zu erklären, was dies nicht bedeutet:

• Es ist keine Zertifizierung von Dritten, z. B. von staatlichen Laboratorien oder Branchenorganisationen.
• Es steht nicht für China Export!

Den ersten Punkt muss man verstehen, denn die CE-Kennzeichnung ist etwas, was man als Verkäufer anstrebt, um zu zeigen, dass das Produkt den relevanten Normen entspricht. Ein Produkt kann auch ohne Tests gekennzeichnet werden, so wie man auch nicht für alles eine Versicherungspolice abschließt. Es ist lediglich eine Frage des Risikos, das man gewillt ist, in Kauf zu nehmen. Der Unterschied hierbei liegt natürlich darin, dass die Möglichkeit besteht, dass das Produkt Interferenzen (EMI) oder sogar Sach- und Personenschäden verursacht.

Zweitens steht CE nicht für China Export, obschon es einige Verkäufer gibt, die genau das behaupten. Wie man sich vorstellen kann, hat diese Thematik das Interesse des Europäischen Parlaments geweckt.

Wenn CE nun bedeutet, dass die relevanten Normen eingehalten werden müssen, stellt sich die Frage, welche Normen denn relevant sind. Dies hängt vom jeweiligen Produkt ab. So sind beispielsweise unterschiedliche Normen zu beachten, je nachdem, ob man ein Auto, ein Laptop, ein Mikrowellengerät oder ein medizinisches Gerät herstellt.

Bezüglich der geltenden Normen wollen wir jetzt aber nicht ins Detail gehen, das Thema wird in einem späteren Beitrag abgedeckt. Jetzt werden wir uns vor allem mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) befassen – also damit, wie jegliche Strahlung auf ein verträgliches Niveau gebracht und unser Produkt ausreichend unempfindlich gegenüber Störungen wird.

Hardwarebeschreibung

Die Plattform für Umgebungssensoren basiert auf einem Pycom-Modul LoPy  (162-8047) . Allen, die nicht mit den Pycom-Modulen vertraut sind, sei gesagt, dass diese einen ESP8266 enthalten, also einen einigermaßen leistungsfähigen 32-Bit-RISC-Mikrocontroller mit WLAN, der zudem einige andere Funkstandards mit niedrigem Stromverbrauch unterstützt. Diese Module werden in MicroPython programmiert, einer Sprache, die einen Teil der Funktionen der unheimlich einsteigerfreundlichen Programmiersprache Python enthält, mit Out-of-the-Box-Unterstützung von integrierten Peripheriegeräten.

Im Blockdiagramm oben, im Uhrzeigersinn beginnend unten links, können wir sehen, dass unsere Sensorplattform das Pycom-Modul um die folgenden Elemente erweitert:

• Umgebungslichtsensor, verbunden über I2C.
• Integrierter Umgebungssensor BME680, verbunden über I2C.
• Schallpegelmessung über den Analogeingang.
• PIR-Sensor, verbunden über eine einfache digitale GPIO.
• Pmod-Erweiterung.
• Status-LEDs.

Kurz gesagt handelt es sich um eine Vielzahl von Peripheriegeräten mit digitalen und analogen E/A-Systemen sowie der Möglichkeit für künftige Erweiterungen. Dies sollte in der Prüfphase für eine interessante Mischung sorgen.

Prototypen

Die Plattform für Umgebungssensoren wurde ursprünglich zur Demonstration des IoT und intelligenter Gebäude am Hauptsitz von RS Components entwickelt. Der Anschluss erfolgt dabei über LoRaWAN. Die Platine wurde mit DesignSpark PCB gestaltet und es wurden zwei CAD-Revisionen erstellt, wobei 30 Stück der Platine nach der zweiten Revision vor Ort auf einem kleinen Pick-and-Place-Roboter zusammengebaut wurden.

Von diesen insgesamt 30 Platinen wurden 24 installiert und der Rest wird für die Entwicklung und Prüfung verwendet. Die installierten Platinen arbeiten nun seit vielen Monaten zuverlässig und schicken Daten über das „The Things Network“ an ein Dashboard. Dabei messen sie Folgendes:

• Temperatur (BME680)
• Luftfeuchtigkeit (BME680)
• Luftdruck (BME680)
• Flüchtige organische Verbindungen (BME680)
• Umgebungshelligkeit (BH1750FVI)
• Geräuschpegel (Mikrofon + Vorverstärker + Analogeingang)
• PIR (Panasonic EKMC1603111)

Decodierte Daten, wie sie über die Konsole des „The Things Network“ angezeigt werden

Wir haben also eine funktionierende Lösung, die allerdings nicht im Hinblick auf die Erlangung der CE-Kennzeichnung und den allgemeinen Handel entwickelt wurde. Deswegen ist es gut möglich, dass einige Designänderungen nötig werden, um den relevanten Normen gerecht zu werden. Mit etwas Glück handelt es sich dabei nur um geringfügige Änderungen. Schließlich wurde das ursprüngliche Design von einem professionellen Techniker entwickelt, der immer die Einhaltung der Best Practices anstrebt, auch bei Prototypen oder Vorführmodellen.

Prozess

In diesem weitläufigen Bereich ist es äußerst hilfreich, wenn man auf die Unterstützung durch Experten zählen kann. Diese können Ratschläge zu den geltenden Normen erteilen, sie haben Zugang zu geeigneten kalibrierten Prüfgeräten und wissen, wie man diese richtig anwendet. Zudem haben sie die nötige Erfahrung, um entstehende Probleme zu erkennen und Lösungsansätze dafür zu entwickeln.

Wir arbeiten mit Unit 3 Compliance zusammen, einem EMV-Prüflabor, das sich auf vorbereitende Konformitätsprüfungen und Produktdesign für EMV spezialisiert hat. Der Prozess, dem wir folgen werden, sieht ungefähr so aus:

1. Überprüfung des ursprünglichen Designs (Unit 3 Compliance)
2. Neue CAD-Revision und Fertigung der Platine
3. Vorbereitende Konformitätsprüfung, EMV-Prüfung (Unit 3 Compliance)
4. Falls erforderlich neue CAD-Revision und Fertigung der Platine
5. Zertifizierte Laborprüfung

Wir hätten direkt zu Schritt 3 gehen können, allerdings wollen wir am Design einige kleine Änderungen vornehmen. Ebenfalls möchten wir einige zusätzliche Platinen für eine andere Verwendung zur Verfügung haben. Deshalb stellt die Herstellung einer geringen Stückzahl für uns eine Möglichkeit dar, das Design vor der Prüfung unter die Lupe zu nehmen und anzupassen.

Je nach Risikofreudigkeit könnten wir auch entscheiden, nach Schritt 3 nicht weiterzumachen, sofern die Prüfergebnisse positiv ausgefallen sind. Viele Anbieter werden wohl auch nie die Dienste akkreditierter Prüflaboratorien in Anspruch nehmen, da deren Dienstleistungen erwartungsgemäß teurer sind. In diesem Fall möchten wir allerdings die zusätzliche Sicherheit durch einen Prüfbericht eines akkreditierten Prüflabors haben.

Wieso also nicht direkt ein akkreditiertes Labor beauftragen? Wie schon erwähnt sind diese Labors relativ teuer, während eine vorbereitende Konformitätsprüfung ein kosteneffizienter Schritt zur Identifizierung und Behebung von Problemen ist. Wenn man Pech hat, könnten ja auch mehrere Design-Neuentwicklungen und erneute Prüfungen nötig werden, bis das Produkt den relevanten Normen entspricht. Es ist also günstiger, wenn dies bei einem Prüflabor gemacht wird, welches eine vorbereitende Konformitätsprüfung vornimmt, als bei einem akkreditierten Prüflabor.

Ergebnisse

Abschließend lohnt es sich, etwas zu den Ergebnissen zu sagen. Wir werden im Verlauf der Reihe verschiedene entwickelte Materialien und Firmware zusammen mit den Prüfergebnissen veröffentlichen. Am Ende soll dann eine endgültige DesignSpark PCB-Datenbank als Open-Source-Hardware veröffentlicht werden, die als Basis für eigene abgeleitete Designs dienen kann.

— Andrew Back