Kommunikation Der Embedded Wireless-Report

Internet of Things ohne Embedded-Funktechnik nicht denkbar
Das Internet of Things ist ohne Embedded-Funktechnik nicht denkbar

Das Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) ist ohne Embedded-Funktechnik nicht denkbar. In diesem Report werden deshalb zahlreiche technische Aspekte des Designs funkbasierter Embedded-Systeme näher erläutert, um Strategien und technische Anforderungen besser abschätzen können.

Bis zum Jahr 2015 werden von Fachkreisen rund 15 Mrd. an das Internet angeschlossene Geräte prognostiziert. In weiteren fünf Jahren, bis 2020, sollen es gar 50 Mrd. Geräte sein. Der Blick auf die eigenen elektronischen Geräte zeigt, dass diese Vision mehr als realistisch ist. Bei aktuell 7,7 Mrd. Menschen auf der Erde benötigt nicht einmal die Hälfte jeweils fünf internetfähige Geräte, um diese Zahlen zu erreichen. Bei all den internetfähigen Mobiltelefonen, Tablets, iPods, Laptops und Rechnern im Büro und zuhause wird die Zahl schnell erreicht.

Gerade im heimischen Bereich werden in der westlichen Welt, in China und Japan kaum noch Geräte verkauft, die nicht internetfähig sind, allen voran Settop-Boxen, HiFi-Anlagen oder Fernseher. Auch in der Lifestyle-Industrie sind vergleichbare Trends deutlich sichtbar. Fitness-Armbänder überwachen den Lebenszyklus und bestimmen die Essgewohnheiten. Brustgurte oder Uhren messen die Herzfrequenz oder das EKG und die Sauerstoffkonzentra-tion des Blutes. Die Aufzeichnungen werden dann mit dem Mobiltelefon oder einem anderen elektronischen Gerät ausgetauscht – und in der Regel in der Cloud gespeichert. Funktechnik ermöglicht einen hohen Schutz vor Staub und Feuchtigkeit und bietet darüber hinaus mehr Freiheitsgrade im Gerätedesign. Betrachtet man im Weiteren den professionellen Bereich wie Sicherheits- und Überwachungskameras, M2M-fähige technische Systeme oder die Vielzahl der Automatisierungssysteme für die industrielle Produktion, Logistiksteuerung und Gebäudeautomation, dann wird deutlich, dass Funk eine bedeutende Rolle bei eingebetteten Systemen spielt.

Welche Funktechnik?

Das Internet der Dinge ist ohne Funktechnik nicht realisierbar. Bewegliche Systeme sollen nicht durch Kabelverbindungen in ihrer Mobilität eingeschränkt sein. Dieses betrifft die System-auslegung in zweifacher Hinsicht. Auf der einen Seite ist das Energiemanagement zu betrachten. Ein günstiges Design mit herausragenden Low-Power-Eigenschaften ermöglichen eine lange Batterielebensdauer oder einen vollständig energie-autarken Betrieb.

Auf der anderen Seite spielt die Kommunikationsfähigkeit der Systeme eine bedeutende Rolle. Die Kommunikations-Intensität, also Datenmenge und Häufigkeit, haben einen wesent-lichen Einfluss auf die Lebensdauer des Energiespeichers. Die verwendete Funktechnik entscheidet aber auch über die Kompatibilität zu anderen Geräten oder Systemen. Nur Systeme mit gleicher Kommunikationstechnik können Daten untereinander austauschen. Das betrifft nicht nur den Frequenzbereich der Funktechnik, sondern vielmehr den Protokollstack und die implementierten Geräteprofile. Gutes Systemdesign entscheidet sich dann an der spezifischen Aufgabenstellung.

Grundsatzentscheidung Kompatibilität

Kompatibilität ist eine Facette die schon fast alleine entscheidet, welche Technik zum Einsatz kommt. Mobiltelefon und Tablets sind heute die Technologietreiber. Das Nachrüsten von technischen Schnittstellen in dieser Gerätekategorie ist in der Regel weder wirtschaftlich noch attraktiv. Der Charakter, die Haptik und das Design der Geräte sollte nicht verletzt werden, damit die Bedienerakzeptanz bleibt.

In Bild 1 sind wesentliche relevante Technologien und ihre Anwendung in technischen Systemen kategorisiert. Mit einem X gekennzeichnete Felder beschreiben die typische uneingeschränkte Anwendung und die typische Verbausituation. Ein O kennzeichnet die optionale, wenn auch nicht immer anzutreffende Gerätebestückung. Ein leeres Feld kennzeichnet, dass die Technologie in dem System in der Regel nicht zu finden ist.

Eine weitere wesentliche Herausforderung ist der Protokollstack. Das Erzeugen von Funksignalen, deren Übertragung und das Empfangen ist nur für proprietäre Punkt-zu-Punkt-Verbindungen einfach. Ist eine Kompatibilität zu anderen Systemen erforderlich, müssen der Verbindungsablauf wie das Anlernen von Geräten und der Verbindungsauf- und -abbau sowie die übertragenen Nachrichten genau definiert sein. Dieses wird in den spezifischen Protokollstacks und Profilen der jeweiligen Technologien genau definiert.

Bild 2 macht es deutlich: Um eine Technik wie Bluetooth oder ZigBee zu implementieren, ist ein umfangreicher Protokollstack notwendig. Wenn nur Teile der Funktionalität des kompletten Stacks benötigt werden, regeln Profile die individuelle Verwendung der einzelnen Protokollelemente. Bluetooth und ZigBee sind gute Vertreter der konfigurierbaren Protokollstacks. Mit Profilen für Anwendungsbereiche wie Automotive, Medical oder Building-Automation sind sehr differenziert auch kleinste Applikationen möglich. Gleichzeitig ist noch der Trend „All-IP“ erkennbar. Hierunter versteht man, dass alle Geräte die Internetprotokolle IP und TCP bzw. UDP in ihrer Kommunikationsstruktur einbinden – ohne TCP/IP ist das Internet der Dinge (IoT) nicht möglich. Eine globale Sichtbarkeit von Geräten im Internet setzt eine einheitliche Struktur voraus – und das ist mit der Implementierung des TCP/IP-Protokollstacks gegeben. Leider geht All-IP auch mit einer vergleichsweise hohen Komplexität und damit einem hohen Bedarf an Speicher und Rechenleistung einher. Diesem Trend kommt 6LoWPAN (IPv6 Low Energy Wireless Personal Area Network) entgegen, was eine schlanke IPv6-Anbindung über einen IEEE 802.15.4-HF-Teil ermöglicht; darüber hinaus werden neue Versionen von „Bluetooth Smart“ auch eine vollständige IP-Unterstützung bieten. Dieses bringt IP an Geräte, bei denen sich WiFi aus Energie- und Kostengründen ausschließt.

Für den Embedded-Bereich stellt sich sehr schnell die Frage, welche Technik sich mit welchem Aufwand implementieren lässt und welche Skalierungsmöglichkeiten bestehen. Das ist eine Frage der Embedded Chipsätze und des Systemdesigns.