Welche Optionen gibt es? Drahtlose Konnektivität für das IoT

Das Wi-Fi-Wireless-Modul LBWB1ZZYDZ von Murata

Viele Embedded-Entwickler stellen fest, dass es nicht mehr damit getan ist, ihre Designs nur zum Funktionieren zu bringen. Jedes für das Internet of Things (IoT) vorgesehene Design verlangt vielmehr nach drahtloser Anbindung, damit Sensordaten an eine Cloud-basierte Applikation übertragen werden können. Die Entwickler stehen damit vor der Wahl, entweder einen eigenen Funk-Transceiver zu entwerfen oder aber ein fertig zertifiziertes Wireless-Modul in ihr Design einzubinden.

Im Zuge der Überlegung, wie das IoT-Design kommunizieren soll, muss jedoch über den zu benutzenden Protokollstandard entschieden werden. Hier gibt es eine Vielzahl von Kommunikationstechniken, von denen Wi-Fi, Bluetooth und ZigBee die populärsten sind. An erster Stelle steht für den Designer die Frage, wie groß die zu übertragenden Datenmengen sind und welche Distanzen es üblicherweise zu überbrücken gilt. In den meisten Anwendungen wird ein Kompromiss zwischen Übertragungsentfernung, Datenrate und Nutzungsweise zu schließen sein.

Die Nutzungsweise kann bereits einige Kriterien hervorheben. Dazu gehören die Häufigkeit, mit der die Daten übertragen werden müssen, und das verfügbare Energiebudget. Letzteres ist besonders bei batteriebetriebenen Geräten ein wichtiger Aspekt. Wenn es beispielsweise um das Bedienen eines Geräts oder den Empfang von Sensordaten nur wenige Male pro Tag geht, kann Bluetooth Low Energy (BLE) sehr interessant sein. Da praktisch jedes Smartphone diese Kommunikationsmethode unterstützt, sind entsprechende Bedien- oder Steuergeräte allgemein verfügbar. Wenn aber größere Datenmengen von beispielsweise einigen Megabyte übertragen werden müssen, setzen Designer am besten auf Bluetooth Classic oder Wi-Fi.

Als nächstes muss die Kommunikationsentfernung in die Überlegung einbezogen werden. BLE kommt hier typisch auf eine Distanz von 30 m bei direkter Sichtlinie. Sollen die Daten jedoch innerhalb eines ganzen Gebäudes übertragen werden, ist eine Alternative in Betracht zu ziehen. Infrage kommen hier neue Technologien wie BLE Mesh, ZigBee oder Sub-1-GHz. Bei Maschen-Netzen wird die nötige Distanz erreicht, indem die Daten von einem Knoten zum anderen weitergereicht werden. Hier ist deshalb sicherzustellen, dass diese Knoten entlang dem vorgesehenen Übertragungsweg vorhanden sind. Tatsächlich können sich hier Probleme ergeben, wenn von einem Ende des Gebäudes auf Daten eines Sensors zugegriffen werden soll, der sich ganz am anderen Ende befindet. Sub-1-GHz-Technologien im ISM-Band haben den Nachteil, dass sie nicht überall auf der Welt die gleichen Frequenzen nutzen können, sodass regionalspezifische Produktvarianten oder Abänderungen erforderlich sind. Außerdem sind die benutzten Kommunikationsprotokolle nicht standardisiert, wodurch es zwischen Geräten, die diese Technologien verwenden, zu noch mehr Inkompatibilitäten kommt. Aus verschiedenen Gründen wird Wi-Fi für immer mehr IoT-Designs als geeignete Kommunikationsmethode betrachtet. Zum einen wird die Verfügbarkeit der benötigten Infrastruktur immer besser, und zum anderen sind die Datenraten wesentlich höher. Besonders wichtig aber ist die Tatsache, dass eine Wi-Fi-Verbindung in der Regel auch eine direkte Anbindung an die Cloud ermöglicht.

Sobald über das Kommunikationsprotokoll entschieden ist, wählt der Ingenieur die Bauelemente für sein Design aus. Hierbei steht sofort die Entscheidung an zwischen der Verwendung eines fertigen Moduls und der Eigenentwicklung eines diskreten Designs. In zwei Situationen ist ein Modul die richtige Lösung: wenn es auf die Markteinführungszeit oder die Größe ankommt. Ein Modul wird als fertig ausgearbeitetes und vollständig geprüftes Bauteil angeboten, dessen Platzbedarf wegen des hohen Integrationsgrads deutlich geringer ist als bei einem diskreten Design. Dies ist der Grund dafür, dass die bedeutenden Smartphone-Hersteller in ihren Designs auf Module zurückgreifen.