Vereinfachen des IoT mittels hochintegrierter drahtloser Lösungen
Drahtlose Verbindungen sind allgegenwärtig; eine unsichtbare Technologie, die die Netzwerkinfrastruktur verändert hat und heute das IoT ermöglicht. Die Implementierung drahtloser Datenübertragung wird auf zahlreichen Ebenen erreicht; in ihrer einfachsten Form kann sie die einfache Verknüpfung zweiter Geräte über kurze Reichweite sein, für die keinerlei Protokoll erforderlich ist. Natürlich benötigen Anwendungen immer mehr eine anspruchsvollere Lösung, die ein Netzwerk zwischen mehreren Geräten erfordert, und hier sieht die Landschaft schon ganz anders aus: Sie wird von Standards dominiert.
Die Allgegenwärtigkeit von drahtlosen Verbindungen ist hauptsächlich der Offenheit des RF-Spektrums zu verdanken. Die überwiegende Mehrheit der auf Standards basierenden und proprietären Protokolle arbeitet im lizenzfreien Teil des Spektrums; dieser steht zwar jedem offen, unterliegt jedoch strikten Einschränkungen, was die Betriebsleistung angeht. Daher ist die Implementierung einer drahtlosen Verbindung am einfachsten zu bewerkstelligen mit einer Technologie, die einem Industriestandard entspricht, oder mit einer proprietären Technologie, die bereits von den entsprechenden Regierungsgremien zugelassen wurde.
Zunehmend ist es die Fähigkeit, Netzwerke von Geräten zu erstellen, die die Beliebtheit von Industriestandards vorantreibt, aber grob gesagt kann man die verschiedenen verfügbaren Technologien nach Reichweite und Bandbreite unterteilen; diese beiden Faktoren bestimmen die Betriebsleistung, die ein zunehmend wichtiger Entwurfsparameter werden.
Auswahl eines Protokolls
Es gibt zahlreiche Protokolle für die lizenzfreien Frequenzbereiche ISM (für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke) und SRD (Kurzstreckenfunk), sowohl unter 1 GHz als auf für 2,4 GHz. Bestimmte auf Standards basierende Protokolle wie ZigBee verwenden beide Bereiche, aber aus historischen Gründen verwenden proprietäre Protokolle vorzugsweise den Bereich unter 1 GHz. Halbleiterhersteller wie Texas Instruments bieten eine breite Palette an Lösungen für drahtlose Verbindungen, vom Transducer bis zum voll integrierten drahtlosen Mikrocontroller (MCU); die MCU-Plattform SimpleLink unterstützt heute mehr als zehn kabelgebundene und drahtlose Protokolle, sodass es für jede Anwendung eine Lösung gibt. Beispielsweise gibt es bei den drahtlosen MCUs der Produktreihe CC13xx das Modell CC1310, das die Sub-1-GHz-Funkeinheit, die allein mit einer Knopfzellenbatterie eine Reichweite von 20 km erreicht, mit einen ARM Cortex-M3 und einen Sensorcontroller ergänzt. Dieses Gerät ist perfekt für Anwendungen wie drahtlose Alarmsysteme geeignet, bei denen das verwendete Protokoll entweder proprietär wäre oder auf dem TI 15.4-Stack basieren würde, einem auf Standards basierenden Sternnetzwerkprotokoll, das von TI veröffentlicht wurde. Dieser MCU gehört zur Familie der drahtlosen MCUs und Sendeempfänger, die Texas Instruments anbietet.
Die MCU-Plattform SimpleLink geht von Geräten, die auf dem 16-Bit-Kern MSP430 von TI basieren und als Host betrieben werden, bis zu Netzwerkprozessoren und drahtlosen MCUs, die neben dem Kern noch HF-Sendeempfänger enthalten, die WLAN, Bluetooth und Sub-1-GHz auf einem Chip bieten.
Abb. 1: WLAN- und Bluetooth sind ein Kernelement der MCU-Plattform SimpleLink
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Obwohl das Konzept von Reichweite nach wie vor als maximale Entfernung zwischen zwei Geräten existiert, über die eine zuverlässige drahtlose Verbindung erreicht werden kann, hat die Einführung von Mesh-Netzwerken ihre Relevanz deutlich verringert. Ein Netzwerk mit zahlreichen Geräten, die über einen drahtlosen Standard mit kurzer Reichweite verbunden sind, kann theoretisch einen Bereich abdecken, der um ein Vielfaches größer ist als die Reichweite der Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die neueste Version von Bluetooth, Bluetooth 5, unterstützt Mesh-Netzwerke und kann so theoretisch ein Gerätenetzwerk mit unendlicher Reichweite aufbauen. Allerdings stammt Bluetooth ursprünglich aus dem Personal Area Networking, bei dem kleine Geräte mit relativ niedrigen Anforderungen an die Bandbreite auf kurze Distanz miteinander kommunizieren.
Historisch gesehen wird über die Reichweite die Art des Netzwerks definiert, mit der sich eine Gruppe von Technologien beschäftigt, beispielsweise Body Area Networking (BAN), Personal Area Networking (PAN) und Wide Area Networking (WAN). Da viele Standards zunehmend Mesh-Netzwerke unterstützen, werden diese Begriffe immer unwichtiger, und mit der Einführung integrierter Lösungen, die weniger Systemressourcen erfordern, gibt es umfangreiche Überschneidungen zwischen den Anwendungsbereichen, für die die einzelnen Gruppen ursprünglich konzipiert wurden.
Obwohl es bei der Auswahl einer drahtlosen Technologie keine „falsche“ Entscheidung gibt, bieten sich dennoch hervorragende Gründe für die Auswahl eines bestimmten Standards für einen spezifischen Anwendungsbereich. Auch wenn die Reichweite weniger wichtig ist, stellt die Bandbreite nach wie vor einen wesentlichen Faktor dar, hauptsächlich weil die empfangene/gesendete Datenmenge noch immer eine direkte Auswirkung auf den Energiebedarf und die benötigte Komplexität hat. Glücklicherweise gibt es immer mehr hochintegrierte Lösungen, die sich um diese beiden Herausforderungen für Entwickler kümmern.
Im Bereich IoT werden viele Geräte mit niedrigen Anforderungen an die Bandbreite verwendet werden, beispielsweise Smart-Sensoren, Haushaltsgeräte und Unterhaltungssysteme, industrielle Steuerung und Überwachung sowie immer mehr Anwendungen im Bereich Haus, Büro und Auto. Hier bieten ZigBee und seine Varianten (wie Light Link und RF4CE) eine gute Mischung aus Netzwerkfunktionen, Energiebedarf und Sicherheit, und das zu Datenraten um die 250 kbit/s. Für Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Bandbreite wird Bluetooth relevanter, da es bis zu 5 Mbit/s bietet. Mit steigenden Anforderungen an Bandbreite oder Netzwerk-Komplexität wird WLAN attraktiv, über das eine direkte Internetverbindung mit bis zu 100 Mbit/s möglich ist.
Ein weiterer Faktor ist die Betriebsfrequenz; hier basiert die Entscheidung auf einer Kombination aus Reichweite, Bandbreite und Betriebsleistung. Viele Standards sind in der Lage, sowohl im Bereich unter 1 GHz als auch im häufiger verwendeten (und dadurch relativ überfüllten) Bereich von 2,4 GHz zu agieren; häufig bietet eine Lösung unter 1 GHz mehr Reichweite, aber weniger Bandbreite. Koexistenz und Robustheit könnten angesichts eines überfüllten Spektrums ebenfalls wichtig bei der Entwicklung sein; einige Standards bieten in diesem Bereich mehr Vorteile als andere. Die MCU-Plattform SimpleLink bietet Lösungen für all diese Benutzerfälle, einschließlich Dualband-Geräten wie dem CC1350, das HF-Sendeempfänger für Sub-1-GHz- und Bluetooth-Verbindungen in einem Gerät kombiniert (weitere Informationen zu diesen Produkten finden Sie im Folgenden).
Abb. 2: Ein Netzwerk vieler über einen drahtlosen Standard mit kurzer Reichweite verbundener Geräte (z. B. in einer Smart City) kann theoretisch einen Bereich abdecken, der erheblich größer als die Reichweite der Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist
Typische Anwendungen und Lösungen
In vielen Fällen bestimmt die Anwendung, welche drahtlose Lösung verwendet wird. Beispielsweise könnte man ein System, das mehrere in einem Gebäude verteilte Sensoren verwendet, die jeweils in direktem Kontakt mit einer zentralen Steuereinheit (oder einem Gateway) stehen, am besten mit einer Sub-1-GHz-Technologie implementieren, die auf einem Sternnetzwerk basiert; Übertragungen im Bereich unter 1 GHz sind weniger anfällig für Abschwächungseffekte durch Hindernisse wie Mauern, während ein Sternnetzwerk den Verarbeitungs-Overhead vermeidet, den ein Mesh-Netzwerk benötigt, sodass die Sensoren länger mit einer einzigen Batterie betrieben werden könnten.
Mit der richtigen integrierten Lösung könnte dank der Energieeffizienz einer Sub-1-GHz-Anwendung dieser Art ein Smart-Sensor mit einer einzigen Knopfzelle bis zu 20 Jahre lang in Betrieb bleiben. Beispielsweise integriert das ModellCC1310F32RGZT, das Teil der Plattform SimpleLink ist, drei Prozessorkerne, einen ARM Cortex-M3 für den Anwendungscode, einen ARM Cortex-M0 für das verwendete Funkprotokoll, und einen 16-Bit-Kern mit extrem niedrigem Energiebedarf, der als autonome Sensorsteuerung agiert.
Mit fortschreitender Entwicklung des IoT wurde immer mehr klar, dass eine Hardware-Plattform, die so leistungsstark wie die Familie SimpleLink ist, auch auf andere Anwendungsbereiche zugeschnitten werden kann. Zu diesem Zweck hat Texas Instruments einen Unterbereich von SimpleLink-Geräten entwickelt, die mehrere drahtlose Standards und Schnittstellen unterstützen, die simultan laufen. Das ModellCC1350F128RGZTbaut auf den Funktionen des CC1310 auf und unterstützt Protokolle und Schnittstellen sowohl für unter 1 GHz als auch für 2,4 GHz. Somit kann es sowohl in einem Sub-1-GHz-Netzwerk verwendet werden, um extrem energieeffizient zu arbeiten, als auch beispielsweise drahtlos über eine Bluetooth-Verbindung zu einem Smartphone oder einem Heim-Gateway Updates empfangen.
Mit der ganzen Welt verbunden
Natürlich geht es bei der Entwicklung einer Anwendung, die einen Teil des IoT darstellt, zum großen Teil auch um die Verbindung mit dem Internet, und bei vielen Anwendungen ist WLAN das drahtlose Protokoll, das dies am einfachsten bewerkstelligt. Eine WLAN-Verbindung bietet weltweiten Zugriff auf die Funktionen und Daten einer Anwendung; allerdings spiegelt sich dies auch in der Komplexität des Protokolls wider, und daher ist sie schwieriger zu implementieren als beispielsweise Protokolle, die auf private Netzwerke ausgelegt sind.
Da der Wert von Daten, die über drahtlose Sensornetzwerke (WSN) gesammelt werden, stetig steigt, suchen Hersteller nach zuverlässigen und doch einfachen Möglichkeiten, WSNs zu erstellen und diese Daten zu erheben. In diesem Anwendungsbereich können drahtlose Verbindungen im Bereich unter 1 GHz hervorragende Werte für Reichweite und Energiebedarf bieten; für die Entwicklung genau dieser Art von Anwendung hat TI das Referenzdesign TIDEP0084 entworfen. Es bietet den auf IEEE 802.15.4 basierten Sternnetzwerk-Stack von TI vorintegriert in das SDK SimpleLink CC13x0 und das Linux-SDK von TI, das auf Sitara-Prozessoren ausgelegt ist.
Das Modell CC3120, das zur Simple Link WLAN-Familie von Texas Instruments gehört, wurde entwickelt, um die Integration von WLAN in eine Anwendung so einfach wie möglich zu gestalten. Hierbei handelt es sich um einen eigenständigen Netzwerkprozessor mit einem voll integrierten Web-Server sowie dem TCP/IP-Stack, der für eine Verbindung mit dem Internet benötigt wird. Dieser Grad an Integration nimmt dem Host-Prozessor den Großteil der Arbeitslast ab; dieser kann daher ein relativ einfacher Mikrocontroller sein. Alternativ bietet das Modell CC3220 noch umfangreichere Integration, da auf dem Kern ARM Cortex-M4 Anwendungscodes ausgeführt werden können. So kann ein umfassend internetfähiges Gerät mit einer Ein-Chip-Lösung entwickelt werden. Texas Instruments kümmert sich auf um Sicherheitsfragen, die sich im wachsenden IoT-Bereich stellen. Die neueste Generation drahtloser Mikrocontroller bietet mehrstufige Sicherheitsfunktionen, mit denen Entwickler ihre Produkte vor feindlichen Übernahmen sowie vor IP- und Datendiebstahl beschützen können.
Mit der aktuellen Version unterstützt Bluetooth 5 jetzt Mesh-Netzwerke sowie eine erhöhte Bitrate von bis zu 5 Mbit/s. Da der Energieverbrauch nach wie vor niedrig ist, kann man Bluetooth nun in einer breiteren Palette von Anwendungen einsetzen, die eine direktere Internetverbindung benötigen, und genießt zusätzlich erhöhte Reichweite dank der Möglichkeit eines Mesh-Netzwerkes. Eines der ersten Teile, das Bluetooth 5 unterstützt, ist der drahtlose MCUCC2640R2FRGZTvon Texas Instruments. Er ist einer der drahtlosen CC2540 SimpleLink-Bluetooth-MCUs von TI, die wenig Energie benötigen und USB unterstützen. In Tabelle 1 finden Sie alle drahtlosen MCUs von Texas Instruments, die Sub-1-GHz, proprietäres 2,4 GHz, Bluetooth, ZigBee, 6LowPAN und WLAN abdecken.
Eine Internetverbindung wird durch das Internetprotokoll, kurz IP, herstellt; einer der modernsten Standards, die IP-Funktionalität bieten, ist 6LowPAN, definiert von der Internet Engineering Task Force. Da er IPv6 auf allen Knoten eines Netzwerks umfassend unterstützt, ist er möglicherweise von allen drahtlosen Technologien am besten für die Zukunft gerüstet, da er im Frequenzbereich unter 1 GHz ebenso betrieben werden kann wie auf 2,4 GHz sowie auf mehreren physischen Ebenen. Eine beliebte Implementierung von 6LowPAN verwendet die physische Ebene IEEE 802.15.4 (wird ebenfalls von ZigBee verwendet). Viele der SimpleLink-Geräte von Texas Instruments unterstützen die physische Schnittstelle IEEE 802.15.4; daher können sie zur Implementierung von ZigBee- und 6LowPAN-Netzwerken verwendet werden.
Das IoT wird von drahtlosen Niedrigenergie-Technologien dominiert werden. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Lösungen fiebern Entwickler der allgemeinen Verfügbarkeit von Lösungen entgegen, die für eines der modernsten Protokolle in diesem spannenden und sich rapide weiterentwickelten Anwendungsbereich konzipiert wurden: Thread. Anders als die meisten anderen Technologien wurde Thread für genau ein Ziel entwickelt, nämlich eine Möglichkeit zu bieten, Geräte zu Hause zu verbinden und zu steuern. Diese Mesh-Netzwerk-Technologie ist außerdem auf Interoperabilität ausgelegt und verwendet offene Standards, die auf 6LowPAN basieren; im Wesentlichen wird dies umgesetzt durch ein „Upgrade“ der Software auf eine bereits vorhandene 802.15.4-Plattform. Um Thread besser zu unterstützen, ruft TI 2018 ein eigenes Thread-SDK (Software Development Kit) ins Leben, das sich anfangs an einen neuen drahtlosen MCU richtet, den CC26x2. Eine Vorschau hierauf finden Sie auf www.ti.com/tool/simplelink-cc26x2-sdk. Das SDK wird das Netzwerkprotokoll Thread 1.1 unterstützen, das auf einer Open-Source-Version des Stacks namens Openthread basiert.
Zusammenfassung
Es war nie einfacher, die Möglichkeiten der drahtlosen Verbindung zu nutzen, dank hochintegrierter Ein-Chip-Lösungen und der Verfügbarkeit lizenzgebührenfreier Software (einschließlich Protokoll-Stacks). Die Auswahl an verfügbaren Geräten, die sämtliche wichtigen standardisierten drahtlosen Protokolle abdecken, beschleunigt nun die Entwicklung von IoT-Anwendungen erheblich.
Tabelle 1: Ein Vergleich der drahtlosen Lösungen
Vereinfachen des IoT mittels hochintegrierter drahtloser Lösungen Datum der Veröffentlichung: 15. Februar 2018 von Farnell