Wireless-Module Das IoT zum Leben erwecken

Über das dramatische Wachstum im Internet of Things (IoT) war in der letzten Zeit viel zu lesen - oft mit Fokus auf eher triviale Konsumelektronik-Anwendungen. Im Folgenden sollen einige Beispiele dafür aufgezeigt werden, dass Funkmodule das »Internet of Things that really matter« zum Leben erwecken können.

Für jeden Menschen bedeutet IoT etwas anderes, aber es gibt einige grundlegende Elemente für die meisten Anwendungen: einen oder mehrere Sensoren, einen Anwendungsprozessor, eine Internetverbindung – meistens über ein oder mehrere Wireless-Protokolle – und Datenanalysen in Computern in der »Cloud«. Tatsächlich liegt ein Unterschied zwischen M2M und IoT darin, dass IoT Datenanalysen beinhaltet, die auf Daten von verschiedenen Systemen unterschiedlicher Unternehmen beruhen.

Wenn die »Dinge« mobil sind, zum Beispiel ein Lkw oder Auto, so kann auch ein Bedürfnis darin bestehen, deren Standort mittels Satellitenempfänger für Positionierung (Global Navigation Satellite System, GNSS) zu bestimmen, oder, um eine größere Genauigkeit zu erreichen, eine Kombination aus Daten von Satellitennavigation (GNSS), Mobilfunknetzen, Wi-Fi-Hotspots und vielleicht sogar der Radumlaufsensoren des Fahrzeugs. Letztere werden für das sogenannte »Dead Reckoning« verwendet, um die Position eines Fahrzeugs zu verfolgen, wenn es sich außerhalb der Reichweite des GNSS befindet, zum Beispiel in einem Tunnel. Wo große Datenmengen von vielen Sensoren zusammengetragen werden, können leistungsstarke Computer in der Cloud komplexe Datenbanken ausführen, und Analysetools liefern Informationsdienstleistungen an die Kunden. Bild 1 gibt einen Überblick über IoT-Konnektivität.

Da Bluetooth jetzt überall in Smartphones, Tablet-Computern und Notebooks zu finden ist, bildet es oft den ersten Link der Verbindung von Sensoren an das Internet. Die nachfolgende Verbindung kann mittels kabelgebundenem Netzwerk, Wi-Fi- oder Mobilfunk-Verbindung ausgeführt werden. Bluetooth Low Energy (BLE), auch als »Bluetooth Smart« bekannt, ist dank seines viel geringeren Energieverbrauchs (in einigen Anwendungen 100-mal niedriger) und niedrigerer Latenz als klassisches Bluetooth ein Schlüsselfaktor für viele IoT-Anwendungen. Der Preis dafür: ein geringerer maximaler Datendurchsatz.

Viele Sensoren erzeugen keine großen Datenmengen, sodass der Anwendungsdurchsatz von 100 KBit/s bei Bluetooth Smart gegenüber den 2,1 MBit/s Bruttodurchsatzrate (1,5 MBit/s netto) des Classic Bluetooth v2.1 mit Enhanced Data Rate (EDR) völlig ausreichend ist. Zum Beispiel erfordern Verbrauchszähler oder Herzfrequenz-Messgeräte nur minimale Bandbreite, um Daten zu übertragen, während sie ihre jeweiligen Aufgaben erfüllen. Ein weiterer Vorteil von Bluetooth Smart gegenüber dem klassischen Bluetooth ist die verbesserte Datensicherheit. Es nutzt AES-128-Verschlüsselung (manchmal als die Sicherheitsstufe der Banken beschrieben), ein wichtiger Faktor, wenn Funkverbindungen sensible Informationen übertragen, die abgefangen werden könnten, etwa die medizinischen Daten einer Person.

Was das IoT im Innersten zusammenhält

Der nächste Link in der Internet-Konnektivitätskette wird in der Regel klassisches Bluetooth, Wi-Fi oder Mobilfunk sein. Wi-Fi bietet eine größere Bandbreite als Bluetooth, bis zu einem theoretischen Maximum von 600 MBit/s mit 802.11n. Die neuesten Mobilfunknetze erlauben bis zu 150 MBit/s bei Downloads und 50 MBit/s im Upload.

Die Normen für Mobilfunknetze haben sich sehr schnell weiterentwickelt. Obwohl die Datendurchsätze für einige Anwendungen niedrig sein können, und 2G-Funksysteme billiger sind als ihre 4G-Pendants, ist es für viele Designs sinnvoll, sie mit einem gewissen Maß an Zukunftssicherheit zu entwerfen. Dies kann bedeuten, bereits jetzt eine 4G-Verbindung einzurichten – vor allem, wenn ein automatisches »Fallback« auf 3G oder 2G möglich ist , wenn kein 4G-Netz zugänglich ist. Das Unernehmen u-blox hilft seinen Kunden mit einer verschachtelten oder »nested« Designphilosophie für die GNSS- und Mobilfunkmodule durch die Phase des Übergangs von 2G über 3G bis hin zu 4G hindurch (Bild 2). Das bedeutet zum Bespiel, den Formfaktor beizubehalten und die Software weiterzuverwenden. Kunden können einfach die aktualisierte Version der einzelnen Module auf einer unveränderten Leiterplatte einbauen und mit dem Testen beginnen.

Eine wichtige Entscheidung für die Produktentwickler ist, welche Funktechnologie für welche Aufgabe eingesetzt werden soll. Manchmal ist die Wahl durch die vorhandene Infrastruktur beschränkt, oder eine bestimmte Auswahl bietet sich aus gewissen Gründen zwingend an. Bei anderen Gelegenheiten kann man es sich aussuchen, oder aber einen Multifunkansatz übernehmen und den Endkunden die Entscheidung überlassen. Während einige Unternehmen sich dafür entscheiden, proprietäre Wireless-Designs um einen oder mehrere Chips oder Chipsätze herum zu erstellen, vielleicht sogar ihre eigenen Bluetooth-Stacks zu schreiben, interessieren sich andere für gebrauchsfertig zertifizierte Module. Diese vereinfachen und beschleunigen die Produktentwicklung, verringern das technische Risiko, stellen die Qualität sicher und senken sowohl Einmal- als auch Stückkosten. Außerdem enthalten viele Module jetzt mehr als eine Funktechnologie, was weitere Platz- und Kosteneinsparungen im Endprodukt verspricht. Die Entwicklungszeit kann sich verringern, die möglichen Interferenzen mit anderen Funksystemen in der Nähe, die im gleichen Frequenzband arbeiten, sowie die technischen Risiken der Umsetzung minimieren sich durch die Verwendung dieser Multiradio-Module.

Zwar wird es immer Anwendungen geben, wo es wirtschaftlicher ist, Funkdesigns auf Basis eines Chips zu entwickeln, jedoch werden Funkmodule heute in so großen Mengen hergestellt, dass sie selten einen Kostennachteil darstellen, verglichen mit den vielen Vorteilen, die sie bieten. Hier ein paar Beispiele, wofür diese Module heute gebraucht werden und wie sie vielleicht morgen zur Verwendung kommen.

Infusionspumpe und Streaming im Auto

Um sicherzustellen, dass die richtige medizinische Infusionspumpe an den richtigen Patienten angeschlossen ist und dass die richtigen Medikamente gegeben werden, kann ein Handscanner mit Bluetooth Smart verwendet werden.

Diese Verbindung überträgt nur wenige Daten, aber innerhalb der gleichen Pumpe gibt es einen Wi-Fi-Link, der eine höhere Bandbreite hat und zur kontinuierlichen Überwachung Daten über das Krankenhausnetzwerk sendet (Bild 3). Für genau diese Art von Anwendung hat u-blox das Multiradio-Modul »Odin-W262« (Bild 4) entworfen. Es misst 14,8 mm x 22,3 mm x 4,5 mm und unterstützt gleichzeitig mehrere Wi-Fi- (2,4 GHz und 5 GHz) sowie klassische Bluetooth- und Bluetooth-Smart-Verbindungen. Dadurch bleibt der Entwickler in der Gestaltung seines Systems flexibel, und das Modul ist für die einfache Anwendung von AT-Befehlen konfiguriert. Es ist in vielen Ländern freigegeben und hat eine eingebaute Antenne, mit deren Hilfe man Multiprotokoll-Funkverbindungen recht schnell und unkompliziert jedem Produkt hinzufügen kann.

Dieses Modul eignet sich auch für den Einsatz in Bezahlterminals im Einzelhandel. In diesem Fall kann Bluetooth Smart als Proximity-Beacon verwendet werden. Damit weiß beispielsweise eine mobile Bezahlvorrichtung, welcher Quittungsdrucker sich gerade in der Nähe befindet. Diese Daten können dann über Classic Bluetooth oder Wi-Fi an einen Drucker übertragen werden. 

Die Nachfrage nach In-Car-Wireless-Konnektivität wächst, nicht nur für die Mobiltelefon-Freisprechanlage, sondern auch für das Streaming von HD-Videos und Audio-Entertainment auf den Rücksitzen. Außerdem sind Rückfahrkamera-Kommunikation und das Schnittstellen-Mirroring grafischer Benutzeroberflächen möglich, damit – wenn Sie es wollen – der Touchscreen Ihres Autos genauso aussieht wie Ihr Smartphone-Bildschirm. Auch hier ist es sinnvoll, Multiradio-Module einzusetzen, weil so viele verschiedene Funktechnologien beteiligt sind. Das Modul »Emmy-W1« im Automotive-Grade hat u-blox für genau solche Anwendungen entwickelt. Es verbindet Zweiband-Wi-Fi mit IEEE 802.11ac und Dual-Mode Bluetooth Smart Ready v4.1 sowie Nahfeldkommunikation (NFC) für schlüssellosen Zutritt. Darüber hinaus verfügt es über einen integrierten LTE-Co-Location-Filter, sodass sowohl Wi-Fi- als auch Mobilfunkantennen in unmittelbarer Nähe gefunden werden können, zum Beispiel in einer Haifischflossen-Antenne auf dem Dach des Autos.

4G-LTE-Mobilfunkmodule wie die in der »Toby-L200«-Familie können nun Download-Geschwindigkeiten bis zu 150 MBit/s realisieren. Dies reicht aus, um acht HD-Video-Feeds gleichzeitig zu streamen. Diese Module verfügen über eine HSPA+- und GSM/GPRS-Fallback-Funktion, um sicherzustellen, dass sie trotz fehlendem 4G-Netz immer noch funktionieren, wenn auch mit reduzierter Leistung.

Natürlich werden GNSS-Module bereits in einer großen Zahl von Fahrzeug-Navigationssystemen benutzt. Wenn Echtzeit-GNSS-Daten mit einer Mobilfunk-Basisstation und WLAN-Hotspot-Informationen kombiniert werden, arbeiten die Karten- und Navigationssysteme genauer, insbesondere wenn die Sichtverbindung zu Satelliten beeinträchtigt ist, beispielsweise in Tunneln oder Tiefgaragen. 
Drahtlose Konnektivität in Autos wird auch die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V) und vom Fahrzeug zur Infrastruktur (V2X) erleichtern. Das Autofahren sicherer zu machen, ist die Hauptmotivation für die Umsetzung der Fahrerassistenzsysteme (ADAS), die dadurch erst ermöglicht werden.

Kosten einer Lkw-Flotte reduzieren

Viele der Funktechnologien, die in Pkws verwendet werden, sind in Nutzfahrzeugen gleichermaßen wertvoll (Bild 5). Durch die Verwendung von GNSS können sich Flottenbetreiber über den genauen Standort jedes ihrer Fahrzeuge informieren und die Fahrzeugleistung auf der Ebene der Einzelfahrzeuge sowie der Flotte verfolgen. Sie können Treibstoffverbrauch, Leerlaufzeit und Fahrzeugdiagnose überwachen und dadurch die Termin- und Routenplanung optimieren, die Reaktionszeiten auf Kundenanfragen verbessern und den Verwaltungsaufwand für die Flotte reduzieren. Diese Überwachung trägt auch dazu bei, die Zahl der Geschwindigkeitsüberschreitungen zu reduzieren und schreckt Fahrzeugdiebe und unbefugte Nutzer ab. Darüber hinaus können durch das Integrieren von Mobilfunkdaten aus einem geeigneten Modul Verkehrsinformationen in Echtzeit empfangen werden.

Module wie das »CAM-M8C« von u-blox bieten gleichzeitigen Betrieb von GNSS für GPS/GLONASS, GPS/Beidou oder GLONASS/Beidou, und liefern damit überall auf der Welt präzise, jamming-sichere und zuverlässige Positionen. Es verfügt über eine integrierte Antenne und enthält einen Satellitenempfänger vom Typ »M8« von u-blox, Quarzoszillator, SAW-Filter und einen rauscharmen Verstärker, um Zeit und Aufwand für die Umsetzung zu minimieren.

Kurzstrecken-Funkmodule mit Wi-Fi oder Bluetooth übertragen Motordaten, verbinden mobile Endgeräte einschließlich Mobiltelefone, oder machen den Fahrer darauf aufmerksam, wenn eine Tür offen gelassen wurde oder andere Fahrzeugprobleme auftreten. Mobilfunkmodule wie »Toby-L200« übertragen dann die Daten zurück an den Flottenmanager, wobei die Daten unterwegs mittels Dienstleistungen aus dem Cloud-Service verbessert werden 
können.

Über den Autor:

Tony Milbourn ist Vice President Corporate Strategy bei u-blox.