Ökosysteme mit steckbaren Bausteinen, Sensoren und Displays eignen sich für alle, die nicht löten wollen oder können, aber trotzdem mit Erweiterungen arbeiten möchten.
Gute Ideen zeichnen sich oft dadurch aus, dass sie nicht nur einer hat. Deshalb gibt es Verbindungssysteme für elektronische Komponenten auch von verschiedenen Herstellern. Adafruit offeriert Stemma/Stemma-Qt [1], Sparkfun hat Qwiic [2], bei DFRobot heißt die Lösung Gravity [3] und Seeed nennt sein entsprechendes System Grove [4]. Auch das vor Kurzem vorgestellte System [5] von Tinkerforge [6] lässt sich zusammenstecken, spielt aber in einer anderen Liga, da hier auf jedem Baustein ein zusätzlicher Mikrocontroller für Managementaufgaben sitzt.
Die hier betrachteten Systeme bieten dagegen lediglich spezielle Kabelanschlüsse auf den Bausteinen. Abbildung 1 zeigt von links nach rechts Stemma/Stemma-Qt, Qwicc und Grove. Bei allen Systemen sind die Anschlüsse verdrehsicher und die Kabel symmetrisch. Das Kabel hat also auf beiden Seiten identische, in sich aber unsymmetrische Stecker, die nur auf eine Art passen. Hinzu kommt eine Farbkodierung der Leitungen, die aber technisch keine Rolle spielt.
Abbildung 1: Die Anschlusstypen der Systeme von Adafruit (Stemma/Stemma-Qt, links), Sparkfun (Qwiic, Mitte) und Seeed (Grove, rechts).
Vor- und Nachteile
Vier Hersteller mit vier verschiedenen Stecksystemen – das hört sich für den Endanwender so an, als müsste er sich entscheiden und wäre dann an ein Ökosystem gebunden. Man kennt das vom Smartphone: Die Folgen sind hohe Preise und langsame Innovation aufgrund mangelnder Konkurrenz. Zum Glück ist das hier nicht so. Trotzdem müssen Sie als Käufer aufpassen; zu den Details kommen wir etwas später.
Zunächst aber zu den naheliegenden Vorteilen. Da wäre zunächst einmal die stabile Verbindung, denn die Stecksysteme sind selbstsichernd. Das hilft nicht nur beim Prototyping, sondern auch später beim Bau von Lösungen. Die klassischen Jumperkabel mit Dupont-Stecker lösen sich manchmal selbst innerhalb eines Gehäuses, insbesondere, wenn es Vibrationen oder Stößen ausgesetzt ist.
Einen weiteren Vorteil stellen die genormten Anschlüsse dar. Das weitverbreitete I2C ist zwar auf dem Bus standardisiert, aber jedes Breakout wartet mit seiner eigenen Reihenfolge von Spannung, Masse, SDA und SCL auf, was in aller Regel der Anordnung der Pins auf dem verbauten Chip geschuldet ist. Die Stecksysteme machen damit Schluss, als Anwender müssen Sie sich darum nicht mehr kümmern. Die Bequemlichkeit hat jedoch ihren Preis in Form eines größeren Breakouts und eines komplizierteren Routings der Leitungen.
Nur Kabel?
Bei genauem Hinsehen sind die verschiedenen Systeme überraschend kompatibel. Das älteste System Grove (2010) verwendet einen proprietären 4-Pin-Stecker mit einem Pinabstand von 2 Millimetern. Adafruits Stemma (2014) setzt dagegen auf 4-Pin- beziehungsweise 3-Pin-JST-PH, ein weitverbreitetes Stecksystem. Dabei handelt es sich allerdings nicht um einen Standard, JST steht für die Firma Japanese Solderless Terminals. Die Stecksysteme werden allerdings in Deutschland entwickelt. Adafruit verbaut das ursprüngliche Stemma nur noch selten, insbesondere Sensoren kommen nur noch mit Stemma-Qt auf den Markt – dazu später mehr.
Der 4-Pin-Anschluss von Stemma ist für I2C gedacht, die 3-Pin-Variante für PWM/Analog/Digital-Anschlüsse. 4-Pin-Stemma arbeitet dank einer identischen Leitungsreihenfolge im Prinzip kabelkompatibel zu Grove, im Vergleich zu Gravity von DFRobot gilt das zusätzlich auch für den 3-Pin-Anschluss. Das hilft allerdings nur wenig, denn die Stecker von Stemma passen – anders als Adafruit behauptet – nicht zu Grove. Adapterkabel lassen sich allerdings sehr einfach herstellen.
Technisch korrekt bezeichnet sitzen die Stecker mit den Pins auf den Bauteilen, den Anschluss am Kabel nennt man eigentlich Buchse. Das läuft jedoch dem normalen Sprachgebrauch zuwider; was gemeint ist, erschließt sich aber normalerweise aus dem Kontext.
Die kleine Variante von Stemma, genannt Stemma-Qt (2017), verwendet JST-SH, bei dem der Pinabstand nur 1 Millimeter beträgt. Das “Qt” ist ein Wortspiel, englisch ausgesprochen klingt es wie “cutie”, was so viel bedeutet wie “süß” oder “schnuckelig”. Der Vorteil von Stemma-Qt liegt im geringeren Platzbedarf auf den Breakouts. Dem steht der Nachteil gegenüber, dass die kleineren Stecker nicht so viele Steckvorgänge verkraften. Eine genaue Zahl veröffentlich JST nicht, sie dürfte aber im zweistelligen Bereich liegen.
Das Steckerformat von Stemma-Qt wurde von Adafruit bewusst kompatibel zu Sparkfuns Qwiic (2017) gewählt. Qwiic und Stemma-Qt beschränken sich ausschließlich auf I2C.
Auf Kabelebene gibt es also bei den vier Systemen zwei Gruppen: Stemma, Grove und Gravity nutzen große Stecker mit 2 Millimeter Abstand, Stemma-Qt und Qwiic dagegen JST-SH mit 1 Millimeter Abstand. Zwischen den einzelnen Systemen vermitteln Adapterkabel oder spezielle Breakouts mit passenden Anschlüssen (Abbildung 2).
Abbildung 2: Ein Grove-Hub mit Qwiic-Anschluss.
Feine Unterschiede
Mechanische Kompatibilität ist nicht alles, denn gerade bei Sensoren und Breakouts gibt es Bauteile, die nur mit 3,3 oder 5 Volt arbeiten. Ein normales BME280-Sensor-Breakout funktioniert deshalb ohne Level Shifter nicht an einem Arduino Uno. Sowohl Stemma- als auch Grove- und Gravity-kompatible Controller respektive Devices bringen deshalb Spannungswandler mit – als Anwender müssen Sie also nicht nachdenken. Aus der Reihe tanzt hier Qwiic, das lediglich die 3,3-Volt-Variante unterstützt. Qwiic-Sensoren arbeiten also nicht mit 5-Volt-Mikrocontrollern zusammen.
