IoT-Board von EBV Heracles vereinfacht Konnektivität für IoT-Knoten

Viele IoT-Anwendungen setzen auf überall verfügbare Konnektivität der IoT-Nodes, vom Güter-, Asset- und Location-Tracking bis hin zu medizinischer Überwachung. War der Einsatz von Mobilfunk bislang wegen komplizierter Produktions- und Payment-Prozesse nicht trivial, schafft ein neues Modul Abhilfe.

Drahtlose Kommunikation ist der Schlüssel für IoT-Anwendungen. Für viele Anwendungen wie im Bereich der Gebäudeautomatisierung reichen begrenzte Reichweiten von WLAN, Bluetooth LE oder Zigbee aus, allerdings nicht für alle. 

Beispiele sind das Location-Tracking in der Bau- oder Logistikbranche, die medizinische Überwachung oder Smart Cities mit Car-Sharing, innovative Straßenbeleuchtungen und viele Anwendungen in allen Lebensbereichen. Für sie alle gibt es nur eine sinnvolle Konnektivitätsplattform, den Mobilfunk.

Die große Herausforderung beim Einsatz des Mobilfunks in Embedded-Anwendungen sind die unterschiedlichen Entwicklungsgeschwindigkeiten. Eine Embedded-Anwendung »denkt« in Jahrzehnten, der Mobilfunk in Consumer-Zyklen für Smartphones. Dazu ist die hohe flächenmäßige Abdeckung mit High-End-Funkstandards – derzeit LTE Gen. 4 – aus wirtschaftlichen Gründen nicht gegeben, vor allen Dingen dann nicht, wenn man seine Produkte global verkaufen und einsetzen möchte.

Die immer noch größte Abdeckung bietet das GSM-Netz (2G), das mit seinen Derivaten GPRS und EDGE den weltweit verbreitetsten Mobilfunkstandard darstellt und in Europa 98 % (Westeuropa) respektive 99 % (Osteuropa) Abdeckung bietet. Die Datenraten sind natürlich im Vergleich zu LTE und dessen Vorgänger UMTS (3G) gering, reichen allerdings, wie auch die Latenzzeiten bei der Datenübertragung, für die Übermittlung von Sensordaten und Steuerbefehlen vollkommen aus. 2G beinhaltet zudem integrierte Sicherheits- und QoS-Funktionen, die eine hohe Verbindungsqualität und Datensicherheit ermöglichen.

Ein weiterer Vorteil ist die uneingeschränkte bidirektionale Kommunikation zwischen Basis und IoT-Knoten, die man bei Sigfox oder LoRA, beides Vertreter der sogenannten Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWAN) vergeblich sucht.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei IoT-Anwendungen sind natürlich die Kosten. Auch hier zeichnet sich 2G durch geringe Infrastruktur- und Komponentenkosten aus.

Wenn es einen Nachteil in der langlebigen Embedded-Welt gibt, dann sicherlich das drohende zeitliche Ende der 2G-Unterstützung. Erste Mobilfunkprovider haben einen Ausstieg bereits für 2020 angekündigt, der französische Anbieter Orange hat sich jedoch bereits bis 2025 committet und arbeitet zudem in jedem europäischen Land mit mindestens zwei Roaming-Partner zusammen. 

Herausforderung Produktions- und Payment-Prozesse 

Als IoT-Gerätehersteller steht man jedoch vor einer großen Hürde, bevor man sein mobilfunktaugliches Gerät in Serie bringen kann, und zwar in Form der obligatorischen SIM-Karte. Damit der Mobilfunkprovider die Daten der Endgeräte eindeutig zuordnen und abrechnen kann, muss jede SIM-Karte eindeutig identifizierbar sein, was bedeutet, dass pro Karte ein Account vorhanden sein muss. Bei tausenden Geräten oder mehr bedeutet das Aufsetzen und Betreiben der nötigen Verwaltungs- und Bezahlungsprozesse natürlich einen riesigen Aufwand, von der Verkomplizierung der Produktion der Endgeräte durch die Zuordnung und Nachverfolgung der SIM-Karten ganz zu schweigen. Das Ergebnis ist eine verlängerte Entwicklungszeit, wenn nicht mit massivem Ressourceneinsatz gegengesteuert wird. Denn eines ist klar: In schnell wachsenden Märkten ist eine kurze Time-to-Market essentiell für den Produkterfolg. Und noch etwas ist klar: Über Basisfunktionalität wie Konnektivität oder Sensorik kann sich der Hersteller nicht differenzieren, sie kostet nur Zeit und Geld. 

Heracles vereinfacht Produktentwicklung

Der für seine griechischen Heldenbezeichnungen (die nebenbei bemerkt lizenztechnische Probleme vermeiden) bekannte Distributor EBV Elektronik hat in Partnerschaft mit dem Mobilfunkbetreiber Orange ein speziell für den Einsatz in IoT-Anwendungen vorgesehenes 2G-Quad-Band-Konnektivitätsmodul herausgebracht: Heracles (Bild  1). Dieses ist nur 16 mm × 18 mm × 2,4 mm groß und beinhaltet eine verlötete SIM-Karte von Gemalto, welche so Manipulationen der Endgeräte vorbeugt, und ein Prepaid-Datenpaket für die gesamte Laufzeit des Moduls. Als Datenpakete sind 10, 40, 200 oder 500 MB erhältlich. Der Preis pro Modul startet bei 15 Euro (10 MB Daten bei großen Stückzahlen, das heißt, Abnahme von 100.000 Stück oder mehr) und endet bei 40 Euro (500 MB Daten bei kleinen Stückzahlen). Auch wenn 10 MB auf den ersten Blick sehr wenig über eine Laufzeit von mehreren Jahren aussieht, muss man bedenken, dass viele Sensoren nur sehr wenig Daten übertragen und dass hier nur die Netto-Nutzdaten, also ohne Mobilfunk-Overhead, berechnet werden. Eine Sprach- oder SMS-Funktionalität gibt es bei Heracles nicht, allerdings kann der Kunde hierfür eine zweite externe SIM-Karte auf sein Board designen und über AT-Steuerungsbefehle ansteuern. Ein Micro-Schlitz für eine 2. SIM-Karte ist im aktuellen Heracles-Modul leider noch nicht integriert. 

Bei industriellen Anwendungen stellt sich natürlich auch immer die Frage bezüglich einer sicheren oder stabilen Verbindung: Während wohl schon jeder bei SMS die verzögerte Übertragung erlebt hat - der Text wird zwischengespeichert und versendet, wenn es passt und zwar mit der niedrigsten Priorität, wenn der Empfänger gerade noch nicht eingebucht ist, kann die SMS eben verzögert ankommen -, steht bei Heracles die Verbindung, sobald ein Netzwerk verfügbar ist. Wenn also der Heracles eine Verbindung hat, sendet und empfängt er mit einer Verzögerung von 300 bis 1000 ms. Das reicht für die allermeisten Sensor-Anwendungen. 

Kosten sparen mit MediaTek und Qorvo 

Wenn Smartphones, primär chinesischer Hersteller, mit erstaunlich niedrigen Preisen angeboten werden, kann man darauf wetten, dass der Applikationsprozessor vom taiwanischen Halbleiterhersteller MediaTek kommt, da diese ein am Markt unschlagbares Preis-Leistungsverhältnis aufweisen. So ist es nicht verwunderlich, dass auch EBV auf MediaTek setzt, das Basisband-Modul MT6261D wird noch um einen HF-Chip RF7198 von Qorvo (ein amerikanischer Chip-Hersteller mit Design-Centern unter anderem in Nürnberg und München), ein Flash-Speichermodul und Schnittstellen für USB 1.1., UART, Audio, Keyboard (5 Reihen × 5 Spalten) und I2C (Bild 2). Diese Funktionalität wird, wie das Blockdiagramm in Bild 3 zeigt, komplett von dem hochintegrierten MediaTek-SoC bereitgestellt.

Herzstück des MT6261D ist ein 32-bit-ARM7EJ-S-Core, der nach heutigen Maßstäben natürlich vollkommen veraltet ist, für die Anforderungen von 2G-Mobilfunk aber vollkommen ausreicht. Unterstützt wird er von einem proprietären DSP, der wie auch andere Komponenten über einen Multi-Layer-AHB-Bus an die CPU angebunden ist und der zum Beispiel die Kanalcodierungen, also den Schutz der Daten gegen Übertragungsfehler über gestörte Kanäle durch Hinzufügen von Redundanz, für GSM/GPRS vornimmt. Theoretisch könnte das SoC sogar Sprachübertragungen vornehmen, FM-Radio empfangen oder eine VGA-Kamera, SDIO-Karte und vieles mehr anbinden, was aber alles für Heracles keine Rolle spielt. Der Grund der Überdimensionierung des SoC für IoT-Zwecke liegt einfach darin begründet, dass es 2014 für den seinerzeit in China explodierenden Markt für GSM-Handys entwickelt wurde und in Heracles quasi funktional zweitverwertet wird. Bild 4 zeigt die gesamte Anschlussbelegung von Heracles, in welchem die Pins des MT6261D eben bedingt sichtbar sind.

Qorvos RF7198 (Bild 5) ist ein Übertragungsmodul für das Quad-Band GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900, das ebenfalls ursprünglich für Low-Cost-Handys entwickelt wurde. Leistungsverstärker, Stromversorgung und Switch wurden auf einem CMOS-Die integriert. Der Leistungswirkungsgrad (PAE, Differenz aus der Ausgangs- und Eingangsleistung im Verhältnis zur zugeführten Leistung mit Ausgangsleistung = Leistung, die der Verstärker an die Antenne abgibt, Eingangsleistung = Leistung, die der Verstärker von dem vorgeschalteten Vorverstärker erhält und zugeführte Leistung = Leistung, die aus der Versorgungsspannung entnommen wird) beträgt bei GSM850/GSM900 und 33,0 dBm gute 40 %.

Die Total Radiated Power (TRP, ein Antennenkennwert, der die tatsächliche Abstrahlung an HF-Leistung angibt und bei angeschlossenem Sender gemessen wird und in den der Sender, das Antennenkabel, die HF-Stecker, die Impedanzen und die Antenne mit eingehen) bewegt sich bei Abschluss aller HF-Ports mit 50 Ω in einem Toleranzbereich von nur ±0,5 dB bei einem VSWR von 3:1 (3:1 bedeutet das Verhältnis der Spannung der vor und zurücklaufenden Welle auf einer HF-Leitung, die durch Reflexion wegen Fehlanpassung zustande kommt; es darf also 25 % der Leistung an der Last/Antenne reflektiert werden, also zum Verstärker zurück laufen).

Die TRP-Messung berücksichtigt das gesamte Antennensystem. Mobilfunknetzbetreiber geben daher den TRP-Wert an und nicht den Antennengewinn, da der TRP-Wert sowohl die Antenne berücksichtigt als auch die Funkabstrahlung. 

Entwicklungskit kompatibel zu Arduino 

Damit Hersteller sofort mit dem Design ihrer Anwendung beginnen können, hat EBV über sein EBVChips-Programm ein auf Heracles abgestimmtes Entwicklungskit realisiert. Kernstück ist ein kompaktes LGA-Entwicklungsboard, das kompatibel zur Arduino-Computing-Plattform ist. Bild 6 zeigt das Blockdiagramm des Boards, das alle für den Aufbau einer eigenen IoT-Plattform benötigten Komponenten enthält. Um einen Mikrocontroller des Typs STM32F4 mit einer mit 80 MHz getakteten CPU des Typs ARM Cortex-M4 sowie 128 KB Flash- und 64 KB RAM wurde über eine I2C-Schnittstelle eine umfangreiche Sensorik ebenfalls von ST Microelectronics implementiert. 

Dies sind im einzelnen: Ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor/Gyroskop des Typs LSM6DSL, ein 3-Achsen-Magnetometer LIS3MDL, ein Feuchtigkeitssensor HTS221 und ein Drucksensor des Typs LPS25HB. 

Security und Bluetooth

Weiterhin implementiert wurde STs gemäß den höchsten Standards der Security-Industrie zertifizierte Sicherheitselement STSAFE-A100, das sich dank der zugehörigen Support-Infrastruktur auch von Designern ohne spezielles Security-Know-how in Designs integrieren lässt. Das Sicherheitselement, das Authentifizierungsdienste bereitstellt, bringt ein eingebautes sicheres Betriebssystem mit und ist gemäß den Common Criteria EAL5+, dem für das Bankwesen tauglichen Sicherheitsstandard der Industrie, zertifiziert. 

Bei dem im Blockdiagramm etwas lieblos als »SOC BLE BLUE« bezeichneten ST-Chip handelt es sich um ein interessantes Produkt. Das Single-Core-SoC enthält einen mit 32 MHz getakteten ARM Cortex-M0, 160 KB On-Chip-Flash-Speicher für Code und Daten und biet überdies die Möglichkeit zum Aktualisieren des Firmware-Stacks für Bluetooth-Low-Energy. Hinzu kommt das Ultra-Low-Power-Design von ST, das Unterstützung für schnelle Wechsel in den Sleep-Modus und zurück einschließt und eine Standby-Stromaufnahme von unter 1 µA erzielt.

Der Chip wird mit dem Bluetooth-Low-Energy-Stack von ST in Form einer verwendungsbereiten, verlinkbaren Bibliothek geliefert. Im Zuge der Bibliotheksverlinkung während des Build-Vorgangs werden nicht genutzte Teile des Stacks entfernt, um den Speicher möglichst effizient zu nutzen. Fertig zertifizierte Profile für medizinische Geräte, Näherungsmonitore und andere Geräte werden ebenso angeboten wie Tools und zusätzliches Material für die Entwicklung von Apps für iOS- oder Android-Geräte.

Zu den wichtigen Peripheriefunktionen, die das Design vereinfachen und den Bauteileaufwand reduzieren, gehören ein 10-Bit-A/D-Wandler, SPI- und I²C-Master/Slave-Einheiten, ein UART sowie je nach Gehäusebauart bis zu 15 anwenderkonfigurierbare I/O-Leitungen.

Mit dem SIM33ELA kommt das GPS- und GLONASS-Modul nicht wirklich von ST Microelectronics, sondern von SIMCom. Eine richtige Entscheidung von EBV, denn tatsächlich zeichnet sich das Modul durch eine sehr geringe Leistungsaufnahme aus (bei 3,3 V und -130 dB 25 mA bei Satellitensuche, 20 mA beim Tracking und 14 µA im Backup-Modus).

Nebenbei bemerkt, ist das Modul auch für einen zukünftigen Einsatz mit dem Quasi-Zenit-Satelliten-System (QZSS, ein im Aufbau befindliches japanisches Satellitensystem) und Galileo geeignet.

Der Stromversorgungsteil wird neben einer Batterie mit 1000 mAh Kapazität durch einen Abwärtswandler TPS62740 von Texas Instruments und eine Lade-IC STBC08 mit maximal 800 mA Ladestrom erneut von ST Microelectronics abgebildet.

Allen Bauteilen ist gemeinsam, dass sie ihre Funktionalität in rauen industriellen Umgebungen bereits unter Beweis gestellt haben. Geliefert wird neben der Hardware eine Software-Entwicklungsumgebung, alle Source-Files und Gerber-Daten und eine detaillierte Teileliste mit genauen Spezifikationen der verwendeten aktiven und passiven Komponenten. Falls eine Funktion nicht benötigt wird, kann man die Komponente aus dem Design entfernen und eine genau auf die Anwendung abgestimmte Referenzschaltung erzielen.

Für einen von uns geschätzten Preis in Höhe von 290 Euro erhält man zusätzlich 200 MB Datenvolumen über die Lebensdauer des Heracles-Moduls. In Kombination mit einem Arduino-Rechner lässt sich so ganz ohne Hardware-Kenntnisse beispielsweise ein Location-Tracker realisieren. Das Kit ist somit für kleine Stückzahlen oder Prototypen geeignet, kann aber auch als Basis für die Fertigung eines IoT-Produktes mit integriertem Heracles hergenommen werden. 

Wie geht es mit LTE weiter? 

 Heracles ist nur der erste Schritt einer strategischen Partnerschaft zwischen Orange und EBV. Die Kooperation ist Teil der sogenannten »Essentials 2020-Strategie« von Orange, in welcher unter anderem auch durch hohe Investitionen in die Netzwerk-infrastruktur die durchschnittliche Datengeschwindigkeit ausgehend von 2015 bis 2018 verdreifacht werden soll. EBV und Orange arbeiten bereits heute an einem multiprotokollfähigen Modul, das eine einfache Migration von 2G auf LTE (4G) ermöglicht. 

Mittlerweile sind LTE Cat M1 und LTE Cat NB1 ratifiziert, bei denen dieselben Modulationsverfahren wie bei LTE zum Einsatz kommen und die speziell für M2M-Kommunikation entwickelt wurden. Bei den Basisstationen sollte daher ein Software-Update ausreichen, die große Frage ist natürlich, wann LTE eine ähnliche Flächenabdeckung erreichen wird wie heute 2G. Derzeit sieht es zumindest in Deutschland noch düster aus, weil die Telekommunikationsanbieter die hohen Investitionen in die Infrastruktur scheuen. Fest steht jedoch, dass LTE gegenüber LPWAN-Technologien im GSM900-Band höhere Datenraten und vor allen Dingen eine bidirektionale Kommunikation zwischen einer Basis und gegebenenfalls hunderten Funksensor-Knoten ermöglicht. 

Fazit

Aus technischer Sicht stellt sich die Frage nicht, ob Heracles ein weiteres Erfolgsprodukt aus dem EBVChips-Programm werden kann. Insbesondere das IoT-Board wurde mit Sinn und Verstand und bewährten Komponenten bestückt, um die Zielanwendungen adressieren zu können. Die Limitierungen ergeben sich aus der Datenübertragungsrate des 2G-Netzes und den darin existierenden Latenzzeiten, allerdings war der Fokus klar auf eine hohe Netzabdeckung und Sensor-Anwendungen gerichtet, die nur wenige Daten übertragen und keine harte Echtzeit benötigen. Die Preisspanne für Heracles bewegt sich in einem moderaten und selbst für die Maker-Community attraktiven Bereich. Eine pfiffige Idee, um die Hersteller von den zeit- und personalaufwendigen Kommunikationsthemen zu entlasten, wurde von EBV gut umgesetzt.