Mobilfunk für IoT- und M2M-Anwendungen Das Ende von 2G und 3G kommt

Bausteine für Endgeräte: Transceiver

Für Entwickler von M2M- und IoT-Endgeräten bieten sowohl Hersteller als auch Distributoren ein breites Spektrum an Produkten für die IoT- und M2M-Kommunikation. Darunter auch Mobilfunkmodule wie die Xbee-Produktfamilie von Digi International, die kaum größer als eine 50-Eurocent-Münze sind. Sie werden als Tochterplatinen mit branchenüblichen 10-Pin-Anschlüssen für die Durchkontaktierung geliefert.

Das XBee3-Mobilfunkmodem XB3-C-A2-UT-001 unterstützt LTE Cat M1 und ist für batteriebetriebene Kommunikationsanwendungen bestimmt (Bild 1). Das XBee3 hat einen Einschub für eine SIM-Karte und ist FCC-zertifiziert. Was den Netzbetreiber betrifft, so ist es für AT&T und Verizon zertifiziert und mit allen LTE-Cat-M1-Netzen kompatibel. Das Funkmodul XBee3 kann mit der Programmiersprache MicroPython programmiert werden. Über die 10-Pin-Standardanschlussklemmen sind SPI, UART- und USB-Schnittstellen zugänglich. Das Modem unterstützt auch Bluetooth Low Energy (BLE).

Für eine Standardreichweite von einigen Kilometern sind 3,3 oder 4,3 V erforderlich. Die maximal benötigte Stromstärke beim Senden mit Standardreichweite bei 4,3 V beträgt nur 550 mA mit deaktiviertem Bluetooth-Transceiver und 620 mA mit aktiviertem Bluetooth-Transceiver. Das Modem zieht im Stromsparmodus (Ruhemodus) 20 µA.

LTE Cat M1 hat eine Reichweite von bis zu 50 km, aber für so große Reichweiten ist eine Stromversorgung mit 5,5 V erforderlich. Im Modus für große Reichweite mit 5,5 V zieht das Modem 800 mA mit deaktiviertem Bluetooth-Transceiver, 860 mA mit aktiviertem Bluetooth-Transceiver und 60 µA im Ruhemodus.

Da alle Funksignale auf der XBee3-Tochterplatine verarbeitet werden, ist kein HF-Layout auf der Hauptplatine erforderlich. Allerdings empfiehlt sich für eine bessere Rauschunempfindlichkeit eine Massefläche auf der Hauplatine unter dem XBee3-Funkmodul.

Zum Testen des XBee3-Modems eignet sich das Entwicklungskit XK3-C-A2-UT-U von Digi International (Bild 2). Es enthält vollständige schrittweise Anweisungen zur Einführung in die M2M-Mobilfunk-Kommunikation mit LTE Cat M1.

Das XBee3-Modem-Entwicklungskit wird mit einem XBee3-Mobilfunkmodem und einer AT&T-SIM-Karte geliefert, die sechs Monate eine kostenlose Mobilfunknutzung einschließt. Bevor die Entwicklungsplatine und das XBee3-Modem eingerichtet werden, ist die SIM-Karte in das XBee-Modem einzustecken. Dann können das XBee-Modem auf der Entwicklungsplatine eingesteckt und die beiden Antennen vorsichtig an die beiden U.FL-Steckverbinder der Entwicklungsplatine angeschlossen werden.

Der U.FL-Steckverbinder der Antennen schnappt hörbar ein, wenn er richtig sitzt. U.FL-Steckverbinder sind sehr empfindlich und nur für etwa ein Dutzend Steckvorgänge ausgelegt. Entwickler sollten also beim Stecken dieser Verbinder sehr vorsichtig sein.

Sobald die beiden Antennensteckverbinder fest sitzen, wird das 12 V-Netzteil mit dem Netz und anschließend sein Ausgangskabel mit dem Hohlstecker in die Entwicklungsplatine gesteckt. Nun kann die Entwicklungsplatine per USB-Kabel mit einem laufenden PC verbunden werden. Der PC beginnt dann, den Treiber für die Entwicklungsplatine zu installieren.

Die Entwicklungsplatine wird mit dem Programm XBee Configuration and Test Utility (XCTU) von Digi International geliefert, das unter Windows, Mac OS und Linux läuft. Nach dem Start von XCTU, wird in Schritt-für-Schritt-Anweisungen auf dem Bildschirm die Schnittstelle zwischen PC und Entwicklungsplatine eingerichtet und das XBee3-Modem konfiguriert. XCTU aktualisiert ggf. auch die XBee3-Firmware, bevor die Cloud-basierte Echo Server Demo ausgeführt wird.

Erstellen eines industriellen M2M-Netzwerks

Für industrielle Netzwerke in Fabriken oder anderen Industrieanlagen kann eine Vielzahl von Funkprotokollen verwendet werden. Dazu zählen WiFi, LTE und sogar das ältere HSPA+. Die hierfür benötigten Router und Gateways müssen für die raue Industrieumgebung ausgelegt sein.

Der Router TransPort WR44 von Digi International ist beispielsweise ein robuster Industie-Router mit zwei SIM-Einschüben und Unterstützung von WiFi nach 802.11ac/a/b/g/n. Er unterstützt VPN-Verbindungen und verfügt über eine konfigurierbare Firewall. Als Gerät für den industriellen Einsatz hat er einen großen Betriebstemperaturbereich von –40 bis +85 °C und ist so robust, dass er sich auch für den Einsatz bei Eisenbahnen eignet. Im Gegensatz zu den Routern in privaten Haushalten wird dieser Industrie-Router mit M12-Steckverbindern an das Internet angeschlossen.

Die Router der 63xx-Serie von Digi International wurden speziell für den Einsatz als IoT-Gateway entwickelt. Der ASN-6350-SR06-GLB ist Router und LTE-Funkmodem mit LTE-Cat-M1-Unterstützung (Bild 3). Er verfügt über zwei SIM-Karten-Einschübe und unterstützt 4G, LTE, 3G und HSPA. Er hat eine automatische Umschaltfunktion, mit der er zwischen verschiedenen Netzbetreibern wechseln kann, und wird über eine Cloud-basierte Steuerkonsole oder über SMS an die Telefonnummer einer der SIM-Karten gesteuert.

Da M2M- und IoT-Endgeräte oft nur kleine Antennen haben, ist die Wahl des Aufstellungsorts von Routern oder Gateways, die Verbindungen mit diesen Endgeräten herstellen müssen, wichtiger als z.B. bei den WLAN-Geräten im privaten Haushalt. Der Router sollte an einem zentralen Standort platziert werden, ohne metallische Hindernisse in der Nähe, die durch Reflexionen die Datenübertragung stören könnten. In der Planung des Netzwerks sollte von Anfang an der Aufstellungsort der Router und Gateways mit berücksichtigt werden – nicht erst dann, wenn das Netzwerk fertig ist.

Was ist mit 5G?

5G, das Mobilfunknetz der fünften Generation, ist eine Ansammlung von modernsten Funktechniken, die unter anderem eine umfangreiche Unterstützung von IoT und M2M bieten. Die besonders zuverlässige Kommunika­tion mit geringer Latenz (URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communications) garantiert eine erfolgreiche Datenübertragung mit einer Latenz von 1 ms in 99,999 % der Fälle. Dies ist insbesondere für unternehmenskritische Anwendungen wichtig. 5G wird damit besonders wichtig für medizinische Sensoren sein, die eine ständige Kommunikation zwischen Patient und Arzt aufrecht­erhalten müssen, sowie für Anwendungen in der Industrie und im Verkehrswesen.

Für Mobilgeräte wie Smartphones wird 5G eine noch höhere Datenrate von voraussichtlich 10 Gbit/s ermöglichen (eMBB – enhanced Mobile BroadBand). Mit 5G können die Basisstationen Verbindungen mit bis zu 100-mal so vielen Geräten wie mit 4G und LTE herstellen (mMTC – massive Machine-Type Communications). Dies führt zu geringeren Kosten für die Netzbetreiber und zu einer zuverlässigeren M2M- und IoT-Vernetzung.

Vor dem Start: Informieren

Es ist wichtig, vor dem Start der Entwicklung einer IoT- oder M2M-Anwendung die Unterschiede zwischen den Mobilfunknetzen zu kennen, damit die richtigen Komponenten gewählt werden können.

Mit einigen Grundkenntnissen und »Application-to-Core«-Entwicklungstechniken können sich Entwickler, dank der vielen verfügbaren Entwicklungskits und Module für die IoT-Vernetzung, schnell mit Netzwerken von mehreren Netzbetreibern vertraut machen.

 

Der Autor

 

Rich Miron

ist als Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics tätig. Seit 2007 ist er in der Gruppe »Technische Inhalte« verantwortlich für das Verfassen und Bearbeiten von Aufsätzen, Blogs und Produktschulungsmodulen.

Vor seiner Tätigkeit bei Digi-Key testete und qualifizierte er Mess- und Steuerungssysteme für Atom-U-Boote. Miron hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der North Dakota State University in Fargo, North Dakota, USA.

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