Drahtlose Sensornetze einfach installieren

Cypress steigt mit CyFi in den Markt für drahtlose Sensornetzwerke ein. Mit einem Transceiver geringer Leistungsaufnahme, einem PSoC und dem schlanken Protokoll einschließlich anpassbarer Firmware und zertifizierter HF-Hardware-Module lässt sich ein robustes Netzwerk in Sterntopologie aufbauen – ohne spezielle Vorkenntnisse.

CyFi hat Cypress für den Aufbau von drahtlosen Sensornetzwerken in Home-Automation-Systemen, der Gebäudeautomatisierung, Fernsteuerungen und der industriellen Prozessautomatisierung konzipiert. CyFi setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: erstens den PSoCs von Cypress, die flexible Sensor- und Control-Funktionen auf einem einzigen programmierbaren Chip enthalten, zweitens dem proprietären CyFi-Starnetwork-Protokoll und drittens dem von Cypress entwickelten Cy-Fi-Transceiver.

Der Transceiver arbeitet mit 1,8 bis 3,6 V. Die maximale Stromaufnahme im Sendebetrieb erreicht bei -5 dBm 20,8 mA, bei 0 dBm 26,2 mA und bei 4 dBm 34,1 mA. Im Empfangsmodus liegt sie bei 23 mA, im Sleep-Modus bei 0,8 µA. Die durchschnittliche Stromaufnahme beträgt 0,87 mA. »Für typische Sensorapplikationen bedeutet das eine Lebensdauer der Batterien in den Knoten von vier Jahren«, sagt Dinesh Ramanathan, Executive Vice President der Data Communication Division von Cypress. Die Hubs sollten direkt an die Steckdose angeschlossen werden. Cypress hat sich für die DSSS-Modulation (Direct Sequence Spread Spectrum) entschieden, um eine robuste Übertragung zu gewährleisten.

Es stehen 80 Kanäle (zu je 1 MHz) zur Verfügung, die Datenübertragungsraten liegen bei 1 MBit/s, 250 kBit/s und 125 kBit/s. Die Ausgangsleistung erreicht bis zu 4 dBm, die Empfangsempfindlichkeit geht bis hinunter zu -97 dBm. Das Protokoll ist für bis zu 250 Knoten für die bidirektionale Kommunikation ausgelegt und umfasst den kompletten API-basierten Protokoll-Stack. Die vorkonfigurierten Dragand-Drop-Firmware-Module lassen sich einfach im Rahmen der bekannten PSoC-Entwicklungsumgebung integrieren. »Als wir mit der Entwicklung begannen, stellten wir uns als oberstes Ziel, ein robustes Übertragungssystem zu realisieren, das nicht durch existierende Störquellen wie WiFi oder ZigBee gestört wird und über große Distanzen funktioniert«, sagt Dinesh Ramanathan.

Zu der zuverlässigen Datenübertragung trägt neben der DSSS-Modulation das Active Link Management und das Link-Budget von 100 dBm bei. Einfach zu installieren sind die Netzwerke, weil Cypress ein sehr schlankes Protokoll entwickelt hat. Das ZigBee-Protokoll enthält laut Ramanathan viel zu viel Overhead, weshalb Cypress sich entschieden hat, ein eigenes Protokoll zu entwickeln, nicht nur wegen des einfacheren Aufbaus, sondern auch wegen der niedrigeren Energieaufnahme. Mit 8 KByte für den Hub und 5 KByte für einen Knoten liegt das Protokoll deutlich unter ZigBee und auch unter Z-Wave.

Zusätzlich zur niedrigen Leistungsaufnahme der ICs hat Cypress aktives Power-Management eingebaut. Es regelt die Ausgangsleistung dynamisch und passt die Datenraten an die Gegebenheiten an. So entscheidet es, ob es besser ist, mit einem starken Signal zu senden und nur einmal zu übertragen, oder mit einem schwachen Signal mehrere Male. Im Falle eine Störung erkennt der Hub die Störquelle und sucht nach einem Kanal, der von der Störung nicht betroffen ist. Außerdem kann der Hub die Datenrate reduzieren, wenn er eine Störung erkennt.

Wenn die Störung weiter zunimmt, dann behält er die Übertragungsrate bei und steigert die Ausgangsleistung auf den Maximalwert von 4 dBm. Bringt auch das nichts, sucht er einen neuen Kanal. »Ein Knoten versucht ständig, seine Ausgangsleistung zu reduzieren«, sagt Ramanathan. Setzt Cypress auch künftig auf ein proprietäres Protokoll? »Wir werden später auch Protokolle auf Basis von 802.15.4 anbieten«, so Ramanathan. »Das wird dann allerdings etwas teurer.« Den Markt für Emedded-Wireless-Sensornetze schätzt er derzeit auf 180 Mio. Dollar, 2012 sollen es 600 Mio. Dollar sein und 2016 1 Mrd. Dollar. »Der überwiegende Teil wird auch 2016 mit proprietären Protokolle arbeiten.«

Für die Entwicklung stellt Cypress das »CY3271 PSoC First-Touch Starter Kit« im Format eines USB-Sticks zur Verfügung. Es besteht aus der PSoC IDE Software, einer Art Armaturentafel für die Sense und Control-Funktionen zum Erfassen von Daten, einem PC-Dongle mit dem HF-Teil, einer Multifunktions-Platine, einem HF-Erweiterungsboard mit Leistungsverstärkern für längere Funkstrecken sowie zwei Batterieplatinen. Der CyFi Transceiver CYRF- 7936 im QFN-Gehäuse mit 40 Pins ist ab sofort lieferbar. Das CY3271 PSoC FirstTouch Starter Kit und das CY3271-RFBOARD RF Expansion Kit sind im Cypress Online Store (www.cypress.com/shop) sowie bei den Vertriebspartnern erhältlich.