Technik zum Anziehen Welche Funkprotokolle eignen sich für Wearables?

Ausgestattet mit Sensorik, Intelligenz und Funkverbindung, eröffnen »Wearables« ihren Trägern ungeahnte Möglichkeiten. Allerdings spielt die Wahl des richtigen Funkprotokolls eine entscheidende Rolle.

Lan Hong, Product Sales Manager Wireless von Rutronik, erläutert: "Neben der Leistungsaufnahme sind auch die Aspekte Reichweite, Geschwindigkeit und Datenübertragungsrate entscheidend für die optimale Konnektivität der Applikation."

Einen besonders energieeffizienten Funkbetrieb ermöglicht die Bluetooth-Version 4.0. Hier sind die Bluetooth-Kernspezifikationen um die Bluetooth-Low-Energy-Technologie (BLE) erweitert. BLE ist speziell auf kleine Datenmengen wie Steuerungsdaten, Schaltbefehle oder Sensorwerte ausgerichtet und arbeitet im 2,4-GHz-Band. BLE-Chips benötigen so wenig Energie, dass einfache 3-V-Knopfzellen für einen monate- oder gar jahrelangen Betrieb ausreichen. »Trotzdem erzielt der Low-Energy-Modus eine höhere Reichweite als das ’klassische‘ Bluetooth“, erläutert Funkexpertin Hong. „Zudem punktet BLE mit schnellem Datentransfer.« Für den Versand von Daten über bis zu 100 m beträgt die Aufbauzeit nur 5 ms. Dies reduziert den Stromverbrauch abermals. Finden keine Übertragungen statt, gehen die Chips in den Ruhe- oder Sleepmodus über, um in regelmäßigen Abständen für sogenannte Signal-Bursts aufzuwachen.

Low-power BLE auf kleinstem Raum

Auch die stringenten Platzanforderungen von Wearable-Anwendungen lassen sich mit den BLE-Transceivern erfüllen, denn es sind viele Modelle mit sehr kleinen Abmessungen auf dem Markt. Eines der Highlight-Produkte bei Rutronik in diesem Segment ist das Multiprotokoll-SoC nRF51822 von Nordic Semicondutor. Es ist im 3,5 x 3,8 mm gr0ßen 64-Ball-Wafer-Level-Chip-Scale-Package und im 6 x 6 mm großen 48-pin-QFN-Package verfügbar.

Mit einer Stromaufnahme von nur 5,5 mA während des aktiven Sendens benötigt es nur eine einzelne Stromquelle und gibt dem Designer die Wahl zwischen einem linearen Single-Chip-Spannungsregler (1,8 - 3,6 V), einem Direktmodus (1,8 V) und einem DC/DC-Buck/Boost-Wandler (2,1 - 3,6 V). Dieser lässt sich während des Betriebs dynamisch kontrollieren. Spitzenstromstärken liegen unter 10 mA (3 V). Der 2,4-GHz-Transceiver des nRF51822 unterstützt sowohl BLE- als auch proprietäre 2,4-GHz-Protokolle. Das BLE-Protokoll für den Betrieb als periphere Kommunikationsseite – wie es bei Wearables üblich ist – ist für den nRF51822 als »S110 BLE Stack« gebührenfrei zum Download verfügbar.

In der neuesten Version bietet er nicht nur die Möglichkeit zum Over-The-Air-Update, sondern ist auch bereits Bluetooth-4.1-konform. Die vorkompilierte Binary kann unabhängig vom Chip programmiert und aktualisiert werden. Sie belegt etwa 80 kB des Speichers, der Rest steht für die eigentliche Anwendung zur Verfügung. Den nRF51822 gibt es mit Flash-Speicherkapazitäten von 256 kB und 128 kB, er basiert auf dem ARM Cortex M0 mit 16 kB RAM. 31 flexibel zuordenbare GPIOs zusammen mit PWM, ADC und weiteren Features machen einen zusätzlichen Mikrocontroller überflüssig. »Das reduziert den Platzbedarf, die Kosten und den Energieverbrauch«, so Hong. Mit diesen Merkmalen eignet sich der nRF51822 ideal für Wearable-Applikationen.

Bluetooth Low Energy hat jedoch einen Nachteil: Es erlaubt keinen Datenaustausch mit Geräten, die mit dem ’klassischen‘ Bluetooth arbeiten. »Das lässt sich auch nicht über ein Firmware-Update aktualisieren. Allerdings wird das bald keine Rolle mehr spielen, denn immer mehr Handys, Smartphones und Tablets sind mit einem dualen Transceiver ausgerüstet, unterstützen also das klassische Bluetooth und BLE«, so die Einschätzung der Wireless-Expertin. Sie sind am »Bluetooth Smart Ready«-Logo erkennbar. Daneben gibt es das Logo »Bluetooth Smart«. Diese Produkte unterstützen lediglich Bluetooth Low Energy. Eine Liste der aktuellen Bluetooth-Smart- bzw. Bluetooth-Smart-Ready-Produkte finden Interessenten online.

Um sicherzustellen, dass der Datentransfer zwischen Endgeräten unabhängig von Hersteller, Software-Version und Applikationstyp funktioniert, müssen Produkte mit Bluetooth seit Februar 2014 über eine Declaration of Compliance verfügen. Für jede Declaration ID eines Produkts für Adopter-Mitgliedsunternehmen sind 8000 Dollar fällig, egal ob man sich bereits bestehender QDIDs bedient oder ein komplettes Gerät zukauft und nur mit eigenem Firmenlogo auf den Markt bringt. Kleinere Unternehmen und Start-ups zahlen nach erfolgreicher Einstufung im »Innovation Incentive Program« nur 2500 Dollar. »Damit unsere Kunden Wearable-Applikationen möglichst kostengünstig und ohne spezifisches HF-Equipment und -Know-how realisieren können, erhalten sie bei uns bereits zertifizierte Wireless Module mit integrierten Protokollen, darunter Bluetooth-4.0-DualMode-Module, die bereits ZigBee Pro oder ZigBee IP sowie WiFi samt AccessPoint und WiFi-Direct integriert haben«, erklärt Lan Hong.