Wireless-Modul / Würth Elektronik eiSos Funk für die Welt

Bild 1: Das 2,4-GHz-Funkmodul Triton von Würth Elektronik eiSos kann weltweit eingesetzt werden.
Bild 1: Das 2,4-GHz-Funkmodul Triton von Würth Elektronik eiSos kann weltweit eingesetzt werden.

Wenn Hersteller elektronischer Baugruppen mit Funkkommunikation auf internationale Märkte drängen, müssen sie wissen, ob das betreffende Produkt in den jeweiligen neu akquirierten Ländern überhaupt betrieben werden darf. Ein neues Modul bringt all diese Voraussetzungen mit.

Für den Bereich der elektronischen Baugruppen mit Funkeinheiten ist die Wahl eines weltweit frei nutzbaren Frequenzbandes essenziell. Das von Würth Elektronik eiSos entwickelte proprietäre Funkmodul Triton (ehemals AMB2220; Bild 1) nutzt das 2,4-GHz-Frequenzband und erfüllt die regulatorischen Anforderungen unterschiedlichster Länder, um es weltweit einsetzen zu dürfen. Für das Modul gibt es sowohl die für den europäischen Markt benötigte CE-Erklärung als auch das FCC- und IC-Zertifikat, das für den amerikanischen und kanadischen Markt erforderlich ist. Außerdem liegen die entsprechenden Testreports von akkreditierten Testhäusern vor. Da sich die Vorgaben der meisten Länder an CE beziehungsweise bzw. FCC orientieren, ist auf diese Weise das Inverkehrbringen des Endprodukts in nahezu jedem beliebigen Land sichergestellt.

Gerade im 2,4-GHz-Frequenzband ist die mangelnde Reichweite oft ein Knackpunkt. Das Triton besitzt sieben Funkprofile, welche die Reichweite sowie den Durchsatz bei der Datenübertragung definieren. Das Funkprofil #1 hat eine Empfangs-empfindlichkeit von –115 dBm, mit der sich eine Reichweite von über 5000 m bei einem Durchsatz von rund 900 bit/s erreichen lässt. Präferiert man eher einen hohen Datendurchsatz, so ist Funkprofil #7 mit einer Reichweite von 1800 m und rund 12 000 bit/s die richtige Wahl. Die hier angegebene Reichweiten gelten bei freier Sichtlinie und 6 m Antennenhöhe. Reale Reichweiten können abweichen, abhängig von Antennenauswahl, Modulintegration, Umgebungseffekten und der Datenrate.

Mit seinen vielfältigen Features fokussiert das Funkmodul Triton den Industrieanlagenbereich, auch als Smart Factory bekannt, der sehr viele Einsatzmöglichkeiten bietet, wie zum Beispiel z.B. Abfallbehandlung, Bau- und Baustoffindustrie, chemische und pharmazeutische Industrie, Drucktechnik, Energiewirtschaft (Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung), Logistik, Gebäudetechnik, Holzbe- und -verarbeitung, Kunststoff- und Gummiindustrie, Luftreinhaltung, Nahrungsmittelindustrie, Rohstoffgewinnung, -förderung und -aufbereitung, Textilindustrie, Verpackungs­industrie, Wasser- und Abwasserbehandlung sowie Zellstoff- und Papierindustrie. Durch seine Implementierung ist das Funk­modul nicht auf diese Bereiche beschränkt, sondern reicht von Smart Home und Smart Grid über Smart Mobility bis hin zum Einsatz in Smart Infrastructure oder Smart Healthcare.

Verwendung des Moduls

Das Funkmodul besteht aus einem Firmware-Stack, der über eine AT-ähnliche serielle Schnittstelle gesteuert werden kann. Über die zur Verfügung gestellten Kommandos kann der Nutzer die Funkschnittstelle für seine Zwecke konfigurieren. Auf diese Weise kann er zum Beispiel die Sendestärke, Datenrate, Netzwerk-adressen und Funkkanäle verändern. Des Weiteren sind Kommandos zur Datenübertragung und zum Wechseln in den Stromsparmodus verfügbar. 

Die Kommandos des Firmware-Stacks folgen dabei einem einfachen Aufbau:

  • Start-Byte 0x02,
  • Kommando-Byte (Tabelle 1 zeigt, welche Kommandos verfügbar sind),
  • Längen-Byte,
  • kommandospezifische Nutzdaten (n Bytes) und
  • die Prüfsumme, welche die korrekte Übertragung der Bitfolge garantiert. 
KommandoBeschreibung
0x01Daten übertragen
0x41Daten wurden versendet
0x81Daten wurden empfangen
0x09Konfigurationsparameter modifizieren
0x0AKonfigurationsparameter auslesen

 

Tabelle 1: Kommandos für das Funkmodul Triton.

Die drei Arten der Kommandos sind Requests (der Host steuert das Modul), Confirmation (das Modul antwortet auf einen Request des Hosts) und Indication (das Modul informiert den Host über ein Event und sorgt dafür, dass der Host stets die volle Kontrolle über die Funkverbindung hat). 

Um ein einfaches »HELLO« an ein Modul der Adresse 2 zu versenden, muss der Host an das angeschlossene Modul per UART das Request-Kommando CMD_DATAEX_REQ senden. Dabei folgt dem Start-Byte 0x02 das Kommando-Byte 0x01 (versende Daten; Tabelle 1), die Länge der anknüpfenden Bytefolge 0x06, die Ziela 0x02, die zu versendenden Daten 0x48 0x45 0x4C 0x4C 0x4F (»HELLO« in hexadezimaler Notation) und zuletzt die Checksumme 0x45. Das versendende Modul antwortet darauf dem angeschlossenen Host per UART mit dem Confirmation-Kommando CMD_DATAEX_CNF, um zu bestätigen, dass es den Request erhalten hat. Dabei folgt dem Start-Byte 0x02 das Kommando-Byte 0x41 (Daten wurden versendet; Tabelle 1), die Länge der anknüpfenden Bytefolge 0x01, der Status 0x00 (Funkpaket wurde erfolgreich versendet) und zuletzt die Checksumme 0x42. 

Zeitgleich sendet das Empfängermodul an den angeschlossenen Host das folgende Indication-Kommando CMD_DATAEX_IND per UART, um zu signalisieren, dass ein Funkpaket empfangen wurde: Nach dem Start-Byte 0x02 folgt das Kommando-Byte 0x81 (es wurden Daten empfangen), die Länge der anknüpfenden Bytefolge 0x07, die Absenderadresse 0x00 des Funkpakets, die empfangenen Daten 0x48 0x45 0x4C 0x4C 0x4F, die Empfangsfeldstärke RSSI (Received Signal Strength Indicator) des Funkpaketes 0x09 (entspricht –48 dBm) sowie die Prüfsumme 0xCF.

Energiebedarf einer Sensorapplikation

Nun wollen wir ermitteln, wie viel Energie für die Übertragung von Sensordaten nötig ist. Dazu setzen wir die Sendeleistung pTX mit 10 dBm fest, den Strom bei maximaler Sendeleistung iTX mit 38 mA, den Strom während Messwerterfassung iMeasure mit 10 mA. Darüber hinaus liegt der Strom im Schlafzustand iSleep bei 0,001 mA. Die Funkdatenrate rTX ist 1500 bit/s, die Sendedauer pro Paket (32 Byte) tTX 170 ms und die Dauer der Messwerterfassung tMeasure 5 ms.

Jetzt kommt das Systemdesign. Ein Zyklus besteht aus Messwerterfassung und dem Senden des erfassten Wertes als Funkpaket. Der Ruhezustand zwischen zwei Zyklen beträgt 900 Sekunden. Damit berechnet sich der Energiebedarf des Systems pro Stunde tTX/h aus dem Produkt von Sendedauer pro Paket tTX = 170 ms mal 4, also zu 680 ms. Die Messdauer pro Stunde tMeasure/h ist demzufolge das Produkt von Dauer der Messwerterfassung tMeasure = 5 ms mal 4, also zu 20 ms. Die Schlafdauer pro Stunde tSleep/h ist also die Differenz von der Zahl der Millisekunden pro Stunde (3,6 Mio. Millisekunden) zu tTX/h und tMeasure/h, also 3 599 300 ms.

Daraus lässt sich nun der mittlere Strom berechnen. Dieser liegt bei 8,2 µA, sodass die Energieaufnahme pro Tag 197,0 µAh beträgt. Eine Knopfzelle vom Typ CR2032 mit typischen 220 mAh abzüglich etwa 15 % Selbstentladung, also effektiven 180 mAh Kapazität bei +25 °C Umgebungstemperatur kann also bis zu 913 Tage das System versorgen. Das entspricht 2,5 Jahren. 

Das proprietäre Funkmodul Triton von Würth Elektronik eiSos bietet sämtliche relevanten Vorzertifizierungen und nutzt das international verfügbare 2,4-GHz-Frequenzband. Damit eignet es sich besonders für die Entwicklung, Herstellung und den Einsatz von Produkten mit Funkmodulen weltweit.