Auswahl einer PAN-Verbindung (Personal Area Network) für tragbare Computer und das Internet der Dinge

Der reale Einsatz von persönlichen Netzwerken (Personal Area Networks, PAN) hat noch nicht Einzug gehalten. Wir stehen an der Schwelle zu einer neuen Generation von tragbaren Computern, Sensoren und Peripheriegeräten, die uns auf einer neuen Ebene mit Maschinen verflechten werden.

Traditionell würde ein PAN über einen drahtlosen Audio-Link, wie zum Beispiel eine Bluetooth-Verbindung, zu einem drahtlosen Headset verbunden werden. Dies ist zwar eine nützliche, lokale Maschinen-Maschinen-Verbindung (M2M) für eine Einzelperson, fällt aber weit hinter dem realen Potenzial, das die energiesparende HF-Nahfeldtechnologie PAN bieten kann, zurück.

Dieser Artikel wird die Optionen untersuchen, die uns zur Erzeugung und Übermittlung von Daten in unserer "persönlichen elektromagnetische Sphäre" zur Verfügung stehen. Er untersucht die Verwendung von niedrigen Leistungsniveaus und Signaltypen für eine Vielzahl von Anwendungen, die von tragbaren oder "tief eingebetteten" Sensoren auf der einfachen Seite bis zu komplexeren High-Definition-Video- und Bildverarbeitungs-Anwendungen in der Echtzeit-3D-Gestenerkennung reicht.

Wir werden uns mit den heutigen Lösungen auf Chip-Ebene für Normen wie IRDA, Wireless-USB, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee und WiFi beschäftigen und von einer Bandbreite-Perspektive aus untersuchen, welchen nutzbaren Durchsatz wir wirklich erwarten können. Desweiteren werden wir uns anschauen, welche Standards besser für unterschiedliche Funktionen geeignet sind. Alle in diesem Artikel erwähnten Komponenten, Datenblätter, Anleitungen und Systeme sind auf der Website von DigiKey verfügbar.

Nicht alles ist HF

In Verbindung mit drahtlosen Verbindungen denkt man in der Regel zuerst an Radio, aber nicht jede drahtlose Verbindung ist HF-basiert. Einige der Kommunikationsoptionen geringer Bandbreite mit erforderlicher direkter Sichtlinie und kurzer Reichweite können stattdessen auf IR beruhen. Nehmen wir zum Beispiel einen zweiteiligen Kraftrückkopplungshandschuh für die Fernsteuerung von Geräten oder medizinischer Prozeduren. Hier würde ein IrDA-Modul wie das RPM973-H11E2A von ROHM eine gute Option (Abbildung 1) darstellen. Dieser Transceiver ist ultradünn und in sich geschlossen und kann als optische Verbindung bis zu 4 Mbit/s bieten. Die Verbindung wird dabei durch keinerlei Störfrequenzen beliebiger Quellen gestört werden. Außerdem ist er für raue Bedingungen robust konstruiert.


Abbildung 1: Klammern Sie robuste IR-Verbindungen nicht als Möglichkeit einer nützlichen Datenkommunikation per Sichtverbindung aus, wenn nur bescheidene Bandbreiten erforderlich sind. Eine Reihe ausgereifter kostengünstiger Transceiver stehen für Ingenieure bereit.

Während optische Technologien ihren Platz haben, wird die mit Abstand am weitesten verbreitete Kommunikationstechnologie für neue PAN-Anwendungen HF sein. Es ist interessant zu bemerken, dass bei niedriger Geschwindigkeit und sehr kurzen Abständen kostengünstigere schmalbandige Arten von HF verwendet werden können, wie AM, FM, ASK, FSK, Carrier-On/Carrier-Off und PSK. Eine Computer-Maus funktioniert hervorragend bei Datenraten von 1200 Bit/s.

Das TR3000 von Murata unterstützt Datenraten bis zu 115,2 kBaud mit einer Trägerfrequenz von 433,92 MHz und ASK- oder OOK-Modulation. Im Betrieb bei 2,7 bis 3,7 V zieht die Komponente bescheidene 3,8 mA während des Empfangs und kann Daten mit 7,5 mA senden. Ein nettes Feature ist, dass der Stromverbrauch für Verbindungen über sehr kurze Strecken heruntergesetzt werden kann, um die Batterielebensdauer zu verlängern (Abbildung 2).


Abbildung 2: Schmalbandübertragungen kommen bei relativ niedrigen Datenraten mit sehr geringe Mengen an Energie aus. Rauschquellen und mit drahtloser Kommunikation überfüllte Umgebungen können allerdings problematisch sein.

Während die Leistungsbegrenzung von Schmalband-AM und -FM funktionieren könnte, gibt es zu viele mögliche Störquellen und diese Arten von Verbindungen haben in der Regel keine Entscheidungsverfahren (Arbitrierung), Kollisionserkennung, Kollisionsvermeidung und automatische Übertragungswiderholung, wenn Fehler auftreten. An dieser Stelle glänzen die Digitalradios.

Mehrere digitale Standards wetteifern um den begehrten, potenziell sehr großen PAN-Markt, einschließlich konsequent interoperabler Standards wie Bluetooth, USB, ZigBee, WiFi oder Z-Wave, um nur einige zu nennen.

Wireless-USB ist sehr vielversprechend, mit mehreren IC-Level-Geräten, die für den Markt bereit sind. Beachten Sie zum Beispiel den CYRF6936-40LTXC von Cypress, einen direkt sequenzierten Spreitzspektrum-USB-Transceiver für 2,4 GHz. Mit Datenraten bis zu 1 Mbit/s verwendet das 1,8 bis 3,6 V Gerät einen 4-MHz-SPI-Port für die Einrichtung und Steuerung. Es kommt in einer 40-Pin-Komponente mit freiliegender Lasche und ist ein bisschen größer als eine Schmalbandlösung. Seine 34 mA Sendeströme (und 21,2 mA Empfangsströme) sind ebenfalls deutlich höher. Allerdings werden viele Anwendungen mehr Zeit schlafend verbringen, als wach; und wenn wach, können Kommunikations-Bursts für eine lange Zeit mit kleinen Batterien betrieben werden, vor allem, wenn sie wiederaufladbar sind.

Ein ähnliches Teil mit einem eingebetteten Controller ist das CYRF89235-40LTXC von Cypress, das einen bis zu 24 MHz M8C-RISC-Prozessor mit Harvard-Architektur auf einem Chip sowie Emulationsports bietet (Abbildung 3). Der chip-eigene 32K-Flash kann Stack und Benutzercode für einige Apps beherbergen. Der 2K-RAM kann per programmierter I/O über die 8-Bit-Ports oder durch I²C- oder SPI-Schnittstellen, die ebenfalls enthalten sind, erweitert werden.


Abbildung 3: Der System-on-a-Chip-Ansatz ermöglicht es dem integrierten Mikroprozessor den Protokoll-Stack vollständig zu kontrollieren und bietet eine integrierte Umgebung, um entweder Ihren anwendungsspezifischen Code aufzunehmen oder Ihre eigene benutzerdefinierte Schnittstelle zu erstellen.

Jenseits von Audio

Audio über Bluetooth wird wahrscheinlich sowohl für Headsets als auch für personengetragene Audio-Verbindungen dominant bleiben, auch wenn es in der Regel mehr Strom verwendet, als notwendig ist. Bluetooth-Geräte spielen zum größten Teil gut zusammen, selbst in überfüllten Umgebungen. Der Tethering-Prozess lässt Transceiver einfache Look-and-Lock-Typen sein, ohne Notwendigkeit für Mehrfachverbindungen und komplexe Protokollstapel.

Im Gegensatz dazu ist Bluetooth Low Energy sehr gut für Nicht-Audio-Anwendungen wie Sensoren, Aktoren und PANs geeignet. Ähnlich wie bei anderen Standards stehen bereits integrierte Lösungen zum Einsatz bereit. Eine beachtenswerte Bluetooth-LE-Lösung kommt von CSR mit seinem Einzelchip-Bluetooth-LE-SoC-Transceiver (SoC: System-on-Chip) TCSR1010A05-IQQM-R (Abbildung 4). Als Teil der Bluetooth-Low-Energy-Plattform μEnergy von CSR enthält sie auch einen integrierten Mikrocontroller, in diesem Fall einen 16-Bit-RISC-Prozessor, zuständig für BT-LE-Stapel, Radio, Interrupts und externe Schnittstellen.


Abbildung 4: Eingebettete Mikrocontroller können nicht nur die digitalen Funkperipheriefunktionen, sondern auch andere Konnektivitäts- und Peripherieschnittstellen, einschließlich der für Mischsignale, enthalten.

Es sei darauf hingewiesen, daß diesen Komponenten mit 64 KByte Flash und 64 KByte RAM ein wenig mehr Ressourcen zur Verfügung stehen. Zusätzlich enthalten diese Komponenten auch einen 10 Bit A/D-Wandler, 12 programmierbare I/Os, SPI, I²C, UART, PWM und einen SPI-Debug-Port. Wie bei nahezu allen Funk-Transceivern, die heute entwickelt werden, besitzen sie außerdem Energiemanagement-Funktionen und können 32 kHz Echtzeituhr-Quarze für längere Ruhezyklen zur Energieeinsparung nutzen.

Ein weiterer Wettbewerber in diesem Bereich ist STMicroelectronics mit seinem Wireless-Netzwerkprozessor für Bluetooth LE, dem BLUENRGQTR. Mit der Einhaltung der Bluetooth-v4.0-Spezifikation als 1 Mbit/s-kompatibler Master oder Slave, kann er seinen 32-kHz-Takt oder Oszillator zur Energiereduktion nutzen oder mit seiner höheren nativen Frequenz für prozessintensive Aufgaben laufen, in diesem Fall mit bis zu 32 MHz.

Er basiert auf einem ARM-Cortex-M0-Prozessor (Abbildung 5) mit einem nutzbaren Speicher von 64K Programm-Flash und 12K SRAM. Er beinhaltet ebenfalls SPI, I²C, UART, serielle Programmierung und Debugging, sowie AES-Hardware. STMicroelectronics sieht hier die Möglichkeit der Nutzung als PAN-Feld-Peripheriecontroller, insbesondere für Gesundheits- und Fitnessanwendungen. Das Unternehmen bietet hierzu auch ein Produkt-Trainingsmodul für Gesundheits- und Fitnessanwendungen von Bluetooth LE.


Abbildung 5: Nicht nur finden 8- und 16-Bit-Kerne ihren Weg zu PAN-Anwendungen, dieser 32-Bit-Cortex-M0 kann Funkverbindungen betreiben und hat dann immer noch mehr als genug Rechenleistung für Ihren Code übrig.

Wie mehrere andere Lieferanten, unterstützt STMicroelectronics den Stack und bietet eine Entwicklungsumgebung, die Ihnen hilft, sich schnell einzuarbeiten. In diesem Fall ist das STEVAL-IDB002V1 des Anbieters eine nützliche Demo- und Evaluierungskarte für BlueNRG-LE-Netzwerkprozessoren.

Weitere Möglichkeiten

Andere Anbieter von drahtlosen Produkten, die in den neuen explodierenden PAN-Markt eindringen wollen, haben einige Hürden zu überwinden. Ein solcher Fall ist ZigBee, das als beliebter Standard von Dutzenden von Anbietern unterstützt wird, oder Geräte- und Modulhersteller für Haus- und Gebäudeautomation.

Im Gegensatz zu Bluetooth besitzt ZigBee keine native Unterstützung für Smartphones, Tablets und Laptops. Dies kann sich als Hindernis erweisen. ZigBee erfordert außerdem einen ausgefeilten Stack, d.h. Knotenkosten können unter Umständen höher sein. Auf der anderen Seite bietet ZigBee den Vorteil, dass es ein Teil eines großen Netzes mit architekturdefinierter Arbitrierung und Identifikation ist.

WiFi hat auch einen gewissen Reiz, vor allem mit dem Schub in Richtung des Internets der Dinge. Es bietet Cloud-basierte Konnektivität und seine Chips und Module sind als sofort einsetzbare zertifizierte Lösungen verfügbar. Es wird zudem nativ in Smartphones, Tablets und Notebooks unterstützt, aber WiFi benötigt auch relativ viel Leistung. Eine flexible Steuerung kann diese für PAN-Anwendungen herunterskalieren, aber das wäre immer noch keine brauchbare Antwort, wenn jedes Mal, wenn es aus dem Stromsparmodus erwacht, die Verbindung wieder hergestellt werden muss, denn der Discovery-Modus benötigt Zeit und Energie.

Es gibt noch andere mögliche Lösungen. Z-Wave, ANT+, IOHomecontrol, W6LoPAN und RF4CE gehören zu den Anwendungs- und Allzweck-Protokollen die erwähnt werden sollten.

Zusammenfassend sind wir Zeugen der Entwicklung einer neuen Generation von Produkten für das Internet der Dinge, die unsere Fähigkeiten und unsere Selbstwahrnehmung stärken werden. In diesem Umfeld dürften Smartphones zu Knotenpunkten für persönliche Netzwerke (PANs) werden, die tragbare Geräte wie Gesundheitsmonitore, intelligente Uhren und Anzeigegeräte (z.B. Google Glass), sowie eine Vielzahl von Sensoren, eingebettet in Kleidung und Schuhe, verbinden. Dieser Artikel hat die Optionen untersucht, die Ingenieuren zur Erzeugung und Übermittlung von Daten in unserer "persönlichen elektromagnetische Sphäre" zur Verfügung stehen. Desweiteren haben wir eine Reihe von möglichen Protokollen untersucht und einige repräsentative Komponenten betrachtet.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschrieben Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der DigiKey-Website.