Willkommen in der Welt der Wireless-Optionen: HF-Bänder und Protokolle für Entwickler von Embedded-Systemen, Teil 1

Anmerkung des Herausgebers: Teil 1 dieser zweiteiligen Artikelserie behandelt die verschiedenen Wireless-Connectivity-Optionen, die den Entwicklern von Embedded-Systemen zur Verfügung stehen, und gibt einige einschlägige Beispiele. Teil 2 wird auf die Merkmale von Wireless-Modulen eingehen und Einblicke geben, wie man sie effektiv einsetzen kann.

Embedded-Geräte und -Systeme waren früher Standalone-Ausführungen mit Steckerschnittstellen für Datenaustausch und Wartung. Heutzutage sehen sich Entwickler dem zunehmenden Druck ausgesetzt, ihre Systeme oder Geräte mit einer Wireless-Schnittstelle versehen zu müssen, damit sie eine Verbindung zu anderen Systemen oder zum Internet der Dinge (IoT) herstellen können.

Während das Hinzufügen von Wireless-Konnektivität durch Verbesserungen bei Siliziumschaltungen und neue Schnittstellen praktikabler und kostensparender wurde, besteht der Nachteil darin, dass immer mehr Protokolle, Reichweiten und Datenraten zur Verfügung stehen, aus denen man wählen kann. Dieser Umstand erschwert es den Entwicklern, die richtige Wahl für eine bestimmte Anwendung zu treffen.

Um die Auswahl schneller auf eine praktische Lösung eingrenzen zu können, vergleicht und fasst dieser Artikel zehn Wireless-Netzwerkoptionen für Embedded-Designs zusammen und stellt Beispiele für drei verschiedene Wireless-Module vor.

Bewertungskriterien für Wireless-Schnittstellen

Reichweite, Kosten und Stromverbrauch sind vermutlich die wichtigsten Kriterien für die meisten Embedded-Designs. Hinsichtlich ihrer Reichweite gibt es bei den Wireless-Optionen große Unterschiede:

• Die Nahfeldkommunikation (NFC) etwa eignet sich nur für Entfernungen von wenigen Zentimetern
• Bluetooth und Zigbee sind für Übertragungen über einige Meter konzipiert, wobei sie hierfür nur sehr wenig Leistung benötigen.
• Auf der Normenfamilie 802.11 basierende Wi-Fi-Funksender bieten Reichweiten im Bereich von Hunderten von Metern und zapfen direkt die allgegenwärtige Internetinfrastruktur an.
• NB-IoT (Narrowband IoT, Schmalband-IoT) nutzt eine lizenzierte Mobilfunk-Infrastruktur für die drahtlose Datenübertragung über viele Kilometer.
• Bei LoRaWAN und Sigfox handelt es sich um Wireless-Optionen mit geringer Leistungsaufnahme und großer Reichweite für IoT-Geräte, die ebenfalls viele Kilometer abdecken, dabei aber in nicht lizenzierten Bändern betrieben werden.

Abbildung 1 zeigt eine einfache Grafik, die verschiedene dieser Protokolle in einem einfachen Koordinatensystem mit Bandbreite und Reichweite als Achsen darstellt.

Abbildung 1: Eine konzeptionelle Darstellung der Reichweite (in Metern zu Kilometern) gegen die Bandbreite (in Bit pro Sekunde zu Megabit pro Sekunde) (Bildquelle: DigiKey)

Zusätzlich zu Reichweite, Kosten und Stromverbrauch gibt es zwei weitere Kriterien, die es zu berücksichtigen gilt. Das erste Kriterium ist, ob die Anwendung einen On-Board-Anwendungsprozessor erfordert oder nicht. Manche Wireless-Module emulieren den Betrieb beliebter Entwicklungsplatinen wie etwa der Arduino Uno und nutzen dieselben Entwicklungswerkzeuge. Andere verfügen über eigene Architekturen und Entwicklungsökosysteme. Wiederum andere verzichten gänzlich auf eine On-Board-Verarbeitung.

Falls mit dem Wireless-Modul lediglich die Kommunikation für einen Host-Prozessor implementiert werden soll, dann stellt die Schnittstelle zwischen Host-Prozessor und Wireless-Modul einen wichtigen Faktor dar. In diesem Fall gibt es zahlreiche Auswahlmöglichkeiten, z. B. serielle Protokolle wie I²C, SPI oder UART. Eine weitere Möglichkeit ist die Arduino E/A-Steckleiste. Viele Module sind als Arduino-Shields erhältlich. Diese langsameren seriellen Schnittstellen und die Arduino E/A-Steckleiste unterstützen jedoch keine höheren Datenraten. Sehr viel höhere Datenraten erfordern sehr viel schnellere Schnittstellen wie etwa PCIe.

In der folgenden Tabelle finden Sie in alphabetischer Reihenfolge zehn gängige Optionen sowie grundlegende Auswahlkriterien für verschiedene Wireless-Netzwerkprotokolle, die für Embedded-Designs geeignet sind.

Tabelle 1: Vergleich verschiedener Standards für die eingebettete drahtlose Kommunikation. (Bildquelle: DigiKey)

Einige dieser Wireless-Protokolle wie Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (LE) und NFC kommen in Mobiltelefonen und Laptops bereits großflächig zum Einsatz. Da sie in Stückzahlen von mehreren hundert Millionen ausgeliefert werden, sind die HF-Schaltkreise und -Module, die zur Implementierung dieser Protokolle erforderlich sind, relativ günstig geworden. Im Folgenden finden Sie kurze Beschreibungen zu den in der obigen Tabelle enthaltenen Wireless-Standards:

Bluetooth: Dieser Standard wurde ursprünglich entwickelt, um Begleitgeräte drahtlos mit Mobiltelefonen zu koppeln. Inzwischen hat sich Bluetooth jedoch zu einem nützlichen Wireless-Protokoll für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme entwickelt, die relativ kurze Reichweiten und moderate Datenbandbreiten von 1 bis 3 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) erfordern. Wegen der vielen Datenprotokolle und -profile, die bereits entwickelt wurden, lassen sich HF-Module mit Bluetooth relativ problemlos in eine Embedded-Anwendung integrieren.

Bluetooth LE: Mit Bluetooth LE können der Stromverbrauch und die Kosten im Vergleich zum klassischen Bluetooth erheblich gesenkt werden, ohne größere Abstriche bei der Kommunikationsreichweite machen zu müssen. Dieser Standard zielt auf neue Anwendungen ab, die in den Bereichen Gesundheit und Fitness, Standortbestimmung mit Beacons, Sicherheit und Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommen.

LoRaWAN: Vorgesehen für batteriebetriebene Wireless-Geräte in einem regionalen, nationalen oder globalen Netzwerk ermöglicht der LoRaWAN-Standard in einem großen Bereich die sichere und energieeffiziente bidirektionale Kommunikation mit Mobilitäts- und Lokalisierungsdiensten und erfüllt damit wichtige Anforderungen für das IoT. Bei der LoRaWAN-Spezifikation handelt es sich um eine MAC-Schicht (Media Access Control), die von einer Vielzahl von Protokollen für die PHY-Schicht (physikalische Schicht) – von Satellitennetzwerken wie Globalsat bis hin zu terrestrischen öffentlichen und privaten Netzwerken – überlagert werden kann. LoRaWAN ermöglicht ohne lokalen Netzwerksupport über große Entfernungen die nahtlose Interoperabilität zwischen IoT-Geräten.

Narrowband IoT: Dieser Standard wurde entwickelt, um eine Vielzahl von Geräten und Diensten über Mobilfunk-Telekommunikationsbänder miteinander zu verbinden. Narrowband IoT (NB-IoT) gehört zu einer Reihe von MIoT-Technologien (Mobile IoT), die vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardisiert wurden. NB-IoT wird „bandintern“ innerhalb des Mobilfunkspektrums bereitgestellt, das 4G-/LTE-Mobilfunknetzwerken zugewiesen ist, die Ressourcenblöcke innerhalb eines normalen LTE-Trägers nutzen, oder in den ungenutzten Ressourcenblöcken innerhalb des Schutzbandes eines LTE-Trägers.

NFC: Für tragbare Geräte wie Mobiltelefone bietet NFC einen Standardsatz von Kommunikationsprotokollen, die die Kommunikation zwischen zwei elektronischen Geräten ermöglichen, die sich in unmittelbarer Nähe (üblicherweise weniger als 10 Zentimeter (cm)) zueinander befinden. Es handelt sich also ausdrücklich um eine Verbindung mit kurzer Reichweite. Sie wird häufig für Finanztransaktionen wie kontaktlose Bezahlsysteme und elektronisches Mobile Ticketing verwendet. Aufgrund der kurzen Reichweite von NFC handelt es sich bei einem der beiden NFC-Kommunikationsgeräte üblicherweise um ein portables Gerät. Ansonsten ist eine Verbindung über ein einfaches Drahtpaar günstiger und auch einfacher.

Sigfox: Geräte mit geringer Leistungsaufnahme wie Stromzähler oder Smartwatches, die in unregelmäßigen Abständen eingeschaltet werden und über Jahre oder sogar Jahrzehnte hinweg mit einer Batterie betrieben werden müssen, können die proprietäre Funkschnittstelle von Sigfox mit großer Reichweite verwenden, um gelegentlich kleine Datenmengen in die Cloud zu übertragen.

6LoWPAN: 6LoWPAN ist die Abkürzung für „IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks“ und basiert auf der Vorstellung, dass das Internetprotokoll (IP) selbst für kleinste Geräte anwendbar sein könnte und auch sollte. Das 6LoWPAN-Protokoll gestattet das Einbinden von Low-Power-Geräten mit begrenzten Verarbeitungsmöglichkeiten in das IoT, indem Mechanismen definiert werden, die das Senden und Empfangen von IPv6-Paketen über Funknetzwerke ermöglichen, die auf den weniger komplexen PHY- und MAC-Schichten des Standards IEEE 802.15.4 basieren (der unter anderem auch als Basis für die energieeffizienten HF-Maschenetzwerke von Zigbee als Grundlage fungiert).

802.11/Wi-Fi: Allgegenwärtig, schnell und mit nativem IP-Support lassen sich Wi-Fi-Funksender relativ problemlos in ein Embedded-Design integrieren, um ein Gerät direkt mit dem IoT zu verbinden.

802.15/Zigbee: Der Standard IEEE 802.15.4 legt die PHY- und MAC-Schichten für Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) fest. Zigbee ist auf dem Standard 802.15.4 mit einem Wireless-Protokoll aufgebaut, das so konzipiert ist, dass es mittlere oder große Maschennetzwerke aufbaut, die Sensoren und Controller miteinander verbinden. Über 2.500 Produkte wurden inzwischen für Zigbee zertifiziert und mehr als 300 Millionen dieser Produkte wurden bereits ausgeliefert.

Z-Wave: Z-Wave wurde als einfach zu implementierendes, langsames Wireless-Protokoll entwickelt, das es verschiedenen Heimelektronikgeräten ermöglicht, über ein zuverlässiges Low-Power-Funkprotokoll problemlos durch Wände, Böden und Schränke hindurch untereinander zu kommunizieren. Z-Wave ist ein proprietäres Protokoll, das von einem Anbieter entwickelt wurde und für das eine Nutzerlizenz erforderlich ist. Inzwischen umfasst die Z-Wave Alliance über 700 Mitgliedsunternehmen, von denen über 2.400 drahtlos verbundene, „intelligente“ Produkte wie Haushaltsgeräte, Rollos, Thermostate und Hausbeleuchtungen angeboten werden.

Die meisten dieser Wireless-Protokolle sind heutzutage in einsatzbereite Module integriert, die gemäß regionalen Standards zertifiziert sind und die Entwicklern von Embedded-Designs, die drahtlose Kommunikationsmöglichkeiten in ihre Designs integrieren müssen, das Leben erheblich erleichtern. Während Teil 2 dieser Artikelserie Beispiele und Beschreibungen vieler solcher Module enthält, finden Sie nachstehend drei recht unterschiedliche Wireless-Module, um Ihr Interesse zu wecken:

ESP-WROOM-32 von Espressif Systems

Das ESP-WROOM-32 ist ein Wi-Fi-/Bluetooth-/Bluetooth-LE-Modul mit einem integrierten Prozessor, der für die verschiedensten Anwendungen von Low-Power-Sensornetzwerken mit niedrigen Datenraten bis hin zu anspruchsvolleren Aufgaben mit höheren Datenraten ausgelegt ist, inklusive Sprachkodierung, Musik-Streaming und MP3-Dekodierung. Das Modul misst lediglich 25,2 x 18 Millimeter, bietet jedoch einen 32-Bit-Dual-Core-Prozessor, wodurch es gegebenenfalls als Host-Controller eingesetzt werden kann. Über verschiedene Schnittstellen wie SPI und I²C kann das Modul außerdem drahtlos eine weitere CPU aktivieren, die als Slave betrieben wird.

Abbildung 2: Das Wi-Fi-BT-BLE-MCU-Modul ESP-WROOM-32 von Espressif Systems bietet Geschwindigkeiten bis zu 150 Mbit/s. (Bildquelle: Espressif Systems)

802.11b/g/n-1T-Mini-PCIe-Karte EWM-W151H01E der Advantech Corp.

Die 1T-Mini-PCIe-Karte EWM-W151H01E in Halbgröße implementiert die Wi-Fi-Standards IEEE 802.11b/g/n und bietet Datenraten bis zu 150 Mbit/s. Aufgrund ihres Formfaktors und mit Treibern für Windows und Linux eignet sich diese Mini-PCIe-Steckkarte ideal für Embedded-Designs für PCs (x86-Prozessor).

Abbildung 3: Die 1T-Mini-PCIe-Karte EWM-W151H01E in Halbgröße von Advantech implementiert die Wi-Fi-Standards IEEE 802.11b/g/n. (Bildquelle: Advantech)

XBee-Cellular-LTE-Cat-1-Modul XBC-V1-UT-001 von Digi International

Das Cellular-LTE-Cat-1-Modul XBC-V1-UT-001 aus der XBee-Serie programmierbarer HF-Module von Digi International stellt für eine geringe Monatsgebühr eine Verbindung zum LTE-Mobilfunknetzwerk von Verizon her. Es kann als eingebetteter Wireless-Steuerprozessor fungieren, der in MicroPython programmiert wird. Außerdem kann es als einfaches Mobilfunkmodem mit einem UART-Anschluss für andere Embedded-CPUs dienen. Digi International bietet außerdem das XBee-4G-Mobilfunkentwicklungskit XKC-V1T-U an, dessen Lieferumfang das Mobilfunkmodem, Kabel, ein Netzteil sowie eine Trägerplatine umfasst, auf der sich die Anschlüsse des Modems für die verschiedenen Steckverbinder befinden.

Abbildung 4: Das XBee-Cellular-LTE-Cat 1-Funkmodul XBC-V1-UT-001 von Digi International verbindet für eine geringe Monatsgebühr ein Embedded-System mit dem Mobilfunk-Kommunikationsnetzwerk von Verizon. (Bildquelle: Digi International)

Fazit

Entwickler reagieren weiterhin auf die Nachfrage nach irgendeiner Form der Wireless-Konnektivität für ihre Embedded-Systemdesigns. Da jedoch immer mehr Wireless-Optionen zur Auswahl stehen, ist die Verwirrung manchmal groß.

Um dem entgegenzuwirken, muss sich jeder Entwickler zuerst ein klares Bild von den Designanforderungen machen. Im Anschluss daran können sie mithilfe der obigen Ausführungen diese Anforderungen mit den verschiedenen Wireless-Konnektivitätsprofilen hinsichtlich Reichweite, Stromverbrauch und Datenrate abgleichen. Auf diese Weise kann die Auswahl des passenden Standards aus der Vielzahl an Wireless-Optionen erheblich vereinfacht und beschleunigt werden.