Für Smart Metering: ZigBee-SoCs auf Basis von ARMs Cortex-M3

Auf der neuen Generation der ZigBee-Chips für den Aufbau von drahtlosen Sensornetzwerken hat Ember den HF-Teil mit einem Cortex-M3-Prozessor von ARM kombiniert. Die neuen SoCs erreichen die zweifache Reichweite bisheriger ZigBee-Chips.

Sie können aufgrund der hohen Code-Dichte für die anspruchvollsten Aufgaben Einsatz finden, und sie verlängern die Batterielebenszeit um 25 Prozent. Für den Cortex-M3 hat sich Ember entschieden, weil er eine geringe Leistungsaufnahme mit hoher Performance und Code-Dichte verbindet – Voraussetzung für den Einsatz der Chips in Smart-Energy- und Home-Area-Netzen (HANs).

»Wir konnten den Durchsatz des Netzes um 30 bis 40 Prozent erhöhen, die Batterielebenszeit verlängert sich um 25 Prozent«, sagt Robert LeFort, CEO von Ember. Und Volker Bredemeier, Manager Sales und Marketing von Atlantik Elektronik, die Ember in Deutschland vertritt, sieht ZigBee nun im Aufwind: »Wir haben wie Ember schon vor fünf Jahren ein hohes Potenzial für ZigBee gesehen, jetzt können wir vom Ramp-up profitieren.«

Auf dem neuen EM351 hat Ember neben dem Cortex-M3 und dem 2,4-GHz-Transceiver entsprechend 802.15.4 einen Flash-Speicher mit 128 KByte und 12 KByte RAM untergebracht. Außerdem verfügt der Baustein über den EmberZNet-PRO-Protokoll-Stack. Schon auf dem Vorgänger-ZigBee-SoC EM250 war er der erste Stack, der das ZigBee PRO Feature Set umfasste. Für Anwendungen, die noch mehr Speicher erfordern, hat Ember die Variante EM357 entwickelt, die einen Flash-Speicher mit 192 KByte enthält.

Der HF-Teil der Chips bietet ein Total Link Budget von 109 dB. »Gegenüber den 103 dB, die andere erreichen, bedeuten die zusätzlichen 6 dB eine Erweiterung der Reichweite um den Faktor 2«, sagt LeFort. Die Datenrate liegt bei 250 kBit/s, die Empfangsempfindlichkeit bei -99 dBm im normalen Modus und bei -101 dBm im Boost-Modus. Die Adjecent Channel Rejection gibt Ember mit 35 dB an, die optimierte 802.11g-Rejection mit 35 dB. Die Sendeleistung beträgt im normalen Modus -32 dBm bis +3 dBm und -32 dBm bis +8 dBm im Boost-Modus.

Deutlicher Sprung nach oben

Die hohe Übertragungsleistung macht externe Leistungsverstärker zumindest in Europa und Asien überflüssig. Der Cortex-M3 liefert 1,25 DMIPS/MHz, was gegenüber dem ARM7 noch einmal ein deutlicher Sprung nach oben ist. Der Unified-Thumb-2-Befehlssatz führt zu einer höheren Code-Dichte, die gegenüber einem 8051 bei einem Drittel liegt. Die Befehle für Data- Manipulation und DSP-fähigkeit sind für den Einsatz in den Zig-Bee-Chips von Ember wichtig. Die ICs arbeiten mit 12 MHz und nehmen im Deep Sleep Modus – in dem sich die ICs rund 99 Prozent ihrer Lebenszeit befinden – einen Strom von max. 1 mA auf.

Die Startzeit vom Sleep-Modus bis zur vollen Arbeitsfähigkeit der CPU gibt Ember mit 128 µs an. Beim Empfang beträgt die Stromaufnahme 25 mA, beim Senden 31 mA (+3 dBm). Die ICs arbeiten mit 2,1 bis 3,6 V. Die ZigBee-SoCs, die über -40 °C bis +85 °C spezifiziert sind, hat Ember in einem QFN (7 mm x 7 mm) mit 48 Anschlüssen untergebracht. Der Preis liegt in hohen Stückzahlen bei 3 Dollar.

Ember zielt mit der EM300-Generation vor allem auf Anwendungen im Smart Metering ab. Wenn man den Analysten glauben darf, wird das Fernablesen die Energieversorgungsunternehmen in die Lage versetzen, ihre Netze besser zu managen und deren Verlässlichkeit zu erhöhen. Deshalb sind sie sehr daran interessiert, Smart Metering in die Haushalte zu bringen. Das wiederum wäre ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zum Smart Grid.