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Verwenden Sie Multiprotokoll-Multiband-Wireless-SoCs, um die Bereitstellung von IIoT-Netzwerken zu vereinfachen.

Von Barry Manz

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Kontinuierliche Innovation hat dazu geführt, dass es heute bei Anwendungen für das Internet der Dinge (IoT) zahlreiche zueinander inkompatible drahtlose Netzwerkoptionen gibt. Grundsätzlich ist es ja gut, Auswahlmöglichkeiten zu haben, doch diese Situation verkompliziert die Bereitstellung von drahtlosen Netzwerken. Dies gilt besonders für ältere Installationen im industriellen IoT (IIoT), wo bereits eine Vielzahl von drahtlosen Netzwerken eingesetzt werden und wo jetzt Hunderttausende von Sensoren in zahlreichen Anlagen hinzugefügt werden müssen.

Hersteller von IoT-Transceivern haben zur Lösung dieses Problems preisgünstige und energiesparende SoC-Lösungen (System-on-Chip) entwickelt, die mehrere Protokolle unterstützen und gleichzeitig mehrere HF-Bänder abdecken – und das in einem einzigen Baustein.

Dieser Artikel befasst sich mit den Design-Herausforderungen, die sich aus der heute üblichen gleichzeitigen Nutzung mehrerer Standards und Spezifikationen für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen ergeben. Anschließend werden System-on-Chips (SoCs) von NXP, Texas Instruments, Silicon Labs und Analog Devices vorgestellt, die Entwicklern die Möglichkeit bieten, flexibel mehrere HF-Schnittstellen zu integrieren. Zudem erkunden wir, welche Fähigkeiten diese SoCs haben und welche Drahtlosprotokolle sie unterstützen.

Die Herausforderung bei drahtlosen Netzwerkoptionen

Noch vor wenigen Jahren gab es kaum IoT-Transceiver oder Mikrocontroller-SoCs, die mehr als ein Protokoll für drahtlose Netzwerke unterstützten. Hersteller von Edge-Geräten mussten sich also für ein Protokoll entscheiden und dieses dann in ihrer gesamten Produktpalette einsetzen. So konnte es beispielsweise in der Heimautomatisierung, der ersten sichtbaren IoT-Anwendung, vorkommen, dass sich ein Hersteller von „smarten“ Beleuchtungsprodukten für Zigbee entschied, während ein anderer Z-Wave wählte und wiederum ein anderer Wi-Fi – was eine ohnehin schon komplexe neue Technologie für die Verbraucher noch unübersichtlicher machte.

Der IIoT-Markt steht jetzt vor denselben Herausforderungen, wenn auch in einem viel größerem Maßstab. Denn während Wohnungen geografisch klar definierte Bereiche sind, haben große Hersteller oft Einrichtungen auf der ganzen Welt. Die IoT-Lösungen müssen unterschiedlichste Anlagen unterstützen und dabei den verschiedensten gesetzlichen Anforderungen gerecht werden. Mit der Entstehung von Multiprotokoll- und Multiband-Transceivern und Mikrocontroller-SoCs wurde es für Ingenieure deutlich einfacher, entsprechende Geräte bereitzustellen, aber auch für System- und Netzwerkarchitekten. Da diese SoCs zunehmend auch in Edge-Geräten zum Einsatz kommen, lassen sich nun Netzwerke konfigurieren, die mit mehreren Drahtlosprotokollen am Edge arbeiten. Dazu müssen jedoch SoCs von einem einzelnen Anbieter genutzt werden.

Typische SoC-Merkmale für das IoT

Ein typisches SoC für das IoT weist folgende Bestandteile auf: eine Basisband- und eine HF-Sektion auf Basis einer Physical-Layer (PHY)-Drahtlosschnittstelle für Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) gemäß IEEE 802.15.4, einen Arm-Host-Prozessor und -Koprozessor, ein gewisses Maß an Verschlüsselung, wie etwa AES-128, sowie einen echten Zufallszahlengenerator (TRNG). Ferner enthält es Schaltungen für das Leistungs- und Sensormanagement, mehrere Taktgeber und Timer sowie verschiedene I/O-Optionen (Abbildung 1). Da Zigbee sich zu einem äußerst beliebten Protokoll für industrielle Anwendungen entwickelt hat, wird es von diesen Bausteinen nahezu ausnahmslos unterstützt, ebenso Protokolle wie Thread mit einer ähnlich geringen Datenrate.

Blockdiagram von SimpleLink-SoCs der Baureihe CC26xx von Texas InstrumentsAbbildung 1: Die SimpleLink-SoCs der Baureihe CC26xx von Texas Instruments, dargestellt in diesem Blockdiagramm, sind repräsentative Vertreter von Drahtlos-IoT-SoCs. Der Host-Prozessor ist ein Arm Cortex-M3, unterstützt von einem Arm Cortex-M0-Koprozessor. (Bildquelle: Texas Instruments)

In diesem Beispiel ist auch Bluetooth Low Energy (Version 4) integriert, und in zunehmendem Maße wird auch Bluetooth 5 (Version 5.1) unterstützt. Mit Version 5.1 wurde das Mesh Networking aufgenommen, wodurch Bluetooth zu einem weiteren Kandidaten für große IoT-Anwendungen wurde. Allerdings wird diese Version nicht von allen SoCs unterstützt. Daher muss unbedingt vorher erkundet werden, ob eine für IIoT in Erwägung gezogene Komponente die Version 5.1 unterstützt.

Einige Komponenten unterstützen auch IPv6 für WPAN mit niedrigem Energieverbrauch (6LoWPANs), einen offenen Standard auf der Basis von 802.15.4 PHY, der von der Internet Engineering Task Force (IETF) definiert wurde. 6LoWPAN umfasst die zur Implementierung von IPv6 benötigte IP Header Compression (IPHC), Standard-TCP/UDP auf den Schichten 802.15.4 PHY und Media Access Control (MAC) und arbeitet sowohl bei Frequenzen von 900 Megahertz (MHz) (oder darunter) als auch 2,45 Gigahertz (GHz).

Der Uplink zum Internet wird über einen IPv6-Edge-Router bewerkstelligt, mit dem auch zahlreiche PCs und Server verbunden sind (Abbildung 2). Das 6LoWPAN-Netzwerk selbst ist über seinen eigenen Edge-Router mit dem IPv6-Netzwerk-Router verbunden.

Diagramm eines IPv6-Netzwerks mit einem 6LoWPAN-Mesh-NetzwerkAbbildung 2: Ein IPv6-Netzwerk mit einem 6LoWPAN-Mesh-Netzwerk. Der Uplink zum Internet wird über einen Access Point bewerkstelligt, der als IPv6-Router fungiert und mit einem IPv6-Edge-Router verbunden ist, mit dem wiederum mehrere PCs und Server verbunden sein können. Das 6LoWPAN-Netzwerk ist über einen Edge-Router mit dem IPv6-Netzwerk verbunden. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zu den charakteristischen Merkmalen von 6LoWPAN zählt seine Fähigkeit, über Standard-Internetprotokolle überall End-to-End-Paketlieferung bereitzustellen. Das ermöglicht Entwicklern die Nutzung von High-Level-Messaging-Protokollen wie MQTT, CoAP und HTTP bei allen Anwendungen.

Wie die anderen in diesem Artikel erwähnten Protokolle kann es zusätzlich zu 2,4 GHz auch im „Sub-1-GHz“-Funkbereich arbeiten, so dass es gute Ausbreitungseigenschaften aufweist. So wurden in Demonstrationen von 6LoWPAN unter Einsatz eines Transceivers mit einer HF-Ausgangsleistung von +12 dBm bei 900 MHz Distanzen bis zu vier Meilen (6,4 Kilometer) abgedeckt. Niedrigere Frequenzen eignen sich besonders für den Innenbereich, da sie Wände besser durchdringen können. Bei entsprechender Konfiguration und mit einer geeigneten Brücke ist 6LoWPAN mit jedem anderen IP-Netzwerk wie etwa Ethernet, Wi-Fi oder sogar Mobilfunkdatennetzwerken interoperabel.

Wesentliche Protokolle

Zurzeit unterstützt kein SoC sämtliche im IoT genutzten Protokolle für drahtlose Netzwerke. Doch das ist für Entwickler von IIoT-Netzwerken nicht entscheidend, denn einige der Protokolle, wie etwa Thread und Z-Wave, werden fast ausschließlich im Verbrauchermarkt eingesetzt. Damit verkleinert sich die Gruppe der Kandidaten auf Zigbee – das bei weitem beliebteste Protokoll für das industrielle IoT – neben 6LoWPAN und Bluetooth. Angesichts dessen sollte jedes SoC, das den 802.15.4-Standard unterstützt, auch mit Zigbee, LPWANs, Thread und wenn möglich auch mit proprietären Lösungen funktionieren, wenn diese Lösungen in denselben Bändern betriebsfähig sind.

Wi-Fi ist aufgrund seines relativ hohen Energieverbrauchs üblicherweise nicht in den Multiprotokoll-SoCs für energiesparende Edge-Geräteanwendungen enthalten, die von einer winzigen Batterie gespeist werden. Im IoT wurde es primär für Backhaul-Anwendungen und als Gateway zum Internetzugang eingesetzt, wo es nicht so sehr auf die Energieverbrauchswerte ankommt. Allerdings ist Wi-Fi aufgrund seiner hohen Datenraten und seiner nahezu generellen Verfügbarkeit maßgeblich, wenn Städte ihre Beleuchtungs-, Überwachungs- und sonstigen Infrastrukturen modernisieren.

Für derartige Anwendungen sind schon seit einigen Jahren Wi-Fi-on-a-Chip-SoCs erhältlich, und ihre Nutzung wächst stetig. Denn die Technologie ist wesentlicher Bestandteil so vieler IoT-Anwendungen, für die sehr hohe Datenraten entscheidend sind. Eines dieser SoCs, die ausschließlich mit Wi-Fi arbeiten, ist der Wi-Fi-Netzwerkprozessor CC3100R11MRGCR von Texas Instruments. Er vereint einen 2,4-GHz-Wi-Fi-Funk- und Netzwerkprozessor mit einem On-Chip-, Webserver und einem TCP/IP-Stack. In Verbindung mit einem Mikrocontroller von TI oder einem anderen Hersteller bildet er eine vollständige Wi-Fi-Lösung, die aus nur zwei kleinen Bausteinen besteht.

Allerdings gibt es auf dem Markt auch einige SoCs, die Wi-Fi und Bluetooth kombinieren, da diese beiden Protokolle so beliebt sind und sich gut ergänzen. So unterstützt beispielsweise das von Texas Instruments angebotene WL1831MODGBMOCR aus der Wi-Fi/Bluetooth-Modulbaureihe WiLink 8 sowohl Bluetooth als auch Bluetooth Low Energy. Bei Wi-Fi bietet das Modul IEEE 802.11b/g/n mit einer maximalen Datenrate von 100 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) und außerdem Wi-Fi Direct. Dank seiner 2 x 2 MIMO-Kapazität kann es das 1,4-fache des Bereichs eines Bausteins mit Einzelantenne abdecken, und im Wi-Fi-Modus verbraucht es weniger als 800 Mikroampere (µA). Zu seinen Bluetooth-Merkmalen zählen Kompatibilität mit Bluetooth 4.2 Secure Connection, eine Host-Controller-Schnittstelle für Bluetooth über UART und ein Audioprozessor, der einen Unterband-Codec für das Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) von Bluetooth unterstützt.

Außerdem sind in seinem nur 13,3 x 13,4 x 2 Millimeter (mm) großen Gehäuse HF-Leistungsverstärker und -Switches, Filter sowie weitere passive Komponenten integriert. Darüber hinaus gibt es Funktionen für Leistungsmanagement und andere Ressourcen, wie etwa eine 4-Bit-SDIO-Host-Schnittstelle.

Für das Multiprotokoll-SoC Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D von Silicon Labs wurde ein interessantes Konzept gewählt: Es kombiniert einen Mikrocontroller mit einem Transceiver, der im entscheidenden Frequenzbereich zwischen 169 MHz und 2,450 Ghz arbeitet. Damit ist es kompatibel mit Bluetooth Low Energy und Bluetooth 5.1, mit Zigbee, Thread – und sogar mit 802.15g. Hierbei handelt es sich um eine Variante des Standards, die speziell für sehr große Versorgeranwendungen in Smart-Grid-Netzwerken entwickelt wurde, in denen es Millionen von festen Endpunkten in einem weit verstreuten Einsatzgebiet geben kann.

Einige Vertreter der Mighty Gecko-Baureihe unterstützen Netzwerke, die unterhalb von 1 GHz arbeiten und damit maßgeschneidert spezifische Anwendungen ermöglichen. Auf diese Weise ermöglichen sie unterschiedliche Modulationsschemata wie OOK-, Shaped-FSK-, Shaped-OQPSK- und DSSS-Modulation.

Die SimpleLink-Plattform von Texas Instruments umfasst Hardware mit Unterstützung von Bluetooth Low Energy und 5.1, Thread, Wi-Fi, Zigbee und „Sub-1-GHz“-Lösungen wie z. B. 6LoWPAN, aber auch von kabelgebundenen Standards wie Ethernet, CAN und USB. Je nach Modell werden in einer Komponente zwei oder drei Drahtlosprotokolle unterstützt. Für jedes Modell aus der Baureihe gibt es eine unterstützende Software-Entwicklungsumgebung.

So bietet zum Beispiel die SimpleLink-Multistandard-Drahtlos-MCU CC2650F128RHBR Unterstützung für Bluetooth, Zigbee, und 6LoWPAN, aber auch für Fernbedienungsanwendungen wie Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE). Das zuletzt genannte Protokoll ist eine Weiterentwicklung von IEEE 802.15.4 und nutzt Netzwerk- und Anwendungsschichten, um interoperable Lösungen zwischen Produkten mehrerer Anbieter zu ermöglichen. Bei der CC2650 kommt ein 32-Bit-Arm Cortex-M3 als Host-Prozessor zum Einsatz, der auf einen Leistungssensor-Controller abgestimmt ist, welcher völlig autonom agiert, selbst wenn sich das Gesamtsystem im Schlafmodus befindet. Für den Bluetooth-Controller und den 802.15.4-MAC wird ein separater Arm Cortex-M0-Prozessor verwendet, wodurch mehr Arbeitsspeicher für die Anwendungsunterstützung verfügbar wird.

Das SoC MKW40Z160VHT4 von NXP Semiconductors unterstützt Bluetooth Low Energy und 802.15.4 für Zigbee und Thread, arbeitet zwischen 2,36 GHz und 2,48 Ghz und nutzt eine Arm Cortex-M0+-CPU, Bluetooth-Link-Layer-Hardware und einen 802.15.4-Paketprozessor. Neben seinem primären Einsatzzweck als ein komplettes Subsystem kann es auch als Modem dienen, um einen vorhandenen eingebetteten Controller mit Bluetooth- oder 802.15.4-Konnektivität zu ergänzen. Das SoC kann aber auch als eigenständiger Drahtlossensor für eine eingebettete Anwendung genutzt werden, wenn kein Host-Controller benötigt wird.

Das Multiprotokoll-SoC LTC5800IWR-IPMA#PBF von Analog Devices kombiniert die Unterstützung der bereits erwähnten 802.15.4-basierten Protokolle mit einem weiteren Protokoll namens SmartMesh, das eine interessante Vorgeschichte hat. Es wurde in den späten 1990er Jahren von Kris Pister entwickelt, einem Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California Berkeley, unter finanzieller Beteiligung des Smart Dust-Projekts der DARPA. Ziel des Programms war die Schaffung einer kompakten und gleichzeitig hochzuverlässigen Funktechnologie, die mit einer Batterie oder per Energy Harvesting betrieben werden kann. Zu den Hauptkunden sollten Versorgungsbetriebe mit einer weit verzweigten Rohrleitungsinfrastruktur zählen, die oftmals unter schwierigsten Umgebungsbedingungen betrieben wird.

Zur Kommerzialisierung der Technologie gründete Pister gemeinsam mit Partnern das Unternehmen Dust Networks, um unter der Bezeichnung SmartMesh ein Mesh-Netzwerk aus drahtlosen Sensoren aufzubauen. Das Unternehmen wurde 2011 von Linear Technology übernommen, das wiederum 2017 von Analog Devices übernommen wurde, wo bis heute an SmartMesh gearbeitet wird – jetzt auch im Hinblick auf das IIoT.

SmartMesh besteht aus einem selbst-optimierenden Multi-Hop-Mesh-Netzwerk von Knoten (die als Motes bezeichnet werden), welche Daten sammeln und weiterleiten, und aus einem Netzwerkmanager, der für die Koordinierung von Leistung und Sicherheit sorgt und die Daten mit einer Host-Anwendung austauscht (Abbildung 3). Da die Zuverlässigkeit zu den wesentlichen Forderungen des DARPA-Programms zählte, hat sich das SmartMesh diese Fähigkeit bewahrt: mit einer Verfügbarkeit von 99 % selbst beim Betrieb unter härtesten Umgebungsbedingungen. Als Kommunikationsprotokoll verwendet es eine Spread-Spectrum-Variante, genannt Time-Slotted Channel Hopping (TSCH), welche alle Motes in dem Netzwerk innerhalb weniger Mikrosekunden synchronisiert.

Diagramm des SmartMesh-Netzwerks, in dem jeder Knoten als Router agiertAbbildung 3: In einem SmartMesh-Netzwerk agiert jeder Knoten als Router, sodass neue Knoten an einer beliebigen Stelle verbunden werden können. Die Technologie unterstützt bis zu 50.000 Knoten. (Bildquelle: Analog Devices)

Alle Motes in dem Netzwerk werden innerhalb von weniger als 1 Millisekunde (ms) synchronisiert und sind per Batterie über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren betriebsbereit. Zur Schaffung eines vollständigen drahtlosen Knotens werden lediglich Netzteilentkopplung, Quarze und eine Antenne benötigt. Bei Verwendung einer omnidirektionalen Antenne mit einer Verstärkung von 2 dBi hat das LTC5800-IPM eine typische Reichweite von 300 Metern (m) im Außenbereich und von 100 m im Innenbereich.

Fazit

Angesichts der großen Vielzahl an Protokollen für drahtlose Netzwerke ist es äußerst schwierig, sich für die richtige Drahtlosschnittstelle mit entsprechendem Protokoll für IIoT-Anwendungen zu entscheiden, vor allem da eventuell auch ältere Systeme unterstützt werden müssen. Wie dieser Artikel gezeigt hat, können IoT-SoCs, die mehrere Kurzstrecken-Drahtlosprotokolle über mehrere HF-Bänder hinweg unterstützen, die Bereitstellung von IIoT-Netzwerken erheblich vereinfachen, indem sie Entwicklern ein höheres Maß an Flexibilität bieten.

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Über den Autor

Barry Manz

Barry Manz, der Gründer von Manz Communications, schreibt seit mehr als 27 Jahren über Elektronik. Er bietet Artikel und alle anderen Arten von redaktionellen Beiträgen an, um die Sichtbarkeit von Unternehmen mit einer hochtechnischen Botschaft zu verbessern. Die Dienstleistungen umfassen technische, produktbezogene Meinungs- und Anwendungsartikel, Datenblätter, Broschüren und andere Begleitmaterialien sowie Kataloge.

Über den Verlag

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