Beinahe ZigBee

Drahtlose Nahbereichsnetzwerke bieten neue Vernetzungsmöglichkeiten für den industriellen, den medizinischen, den Embeddedund Kommunikationsbereich und natürlich auch für den Bereich der Heimautomatisierung und des Infotainment.

Drahtlose Nahbereichsnetzwerke bieten neue Vernetzungsmöglichkeiten für den industriellen, den medizinischen, den Embeddedund Kommunikationsbereich und natürlich auch für den Bereich der Heimautomatisierung und des Infotainment.

Anders als WLAN (IEEE 802.11x), das für Übertragungsraten über 10 MBit/s und größere Entfernungen ausgelegt ist, sind WPANs (Wireless Private Area Networks) für den privaten Bereich (Größenordnung 10 m) und vergleichsweise niedrige Übertragungsraten im Bereich von etwa 16 kBit/s bis zu 1 MBit/s gedacht. Neben proprietären Lösungsansätzen, etwa von Cypress wurde mit dem IEEE 802.15.4 ein Standard gesetzt, der insbesondere die Interoperabilität von Geräten verschiedener Anbieter sicherstellen soll und die Basis für ZigBee bildet.

IEEE 802.15.4 definiert die physikalische (PHY) und die Zugriffsebene (MAC) von WPANs. Beim heutigen Stand ist nur die Realisierung im 2,4-GHz-ISM-Band von Bedeutung. Dieses Band ist lizenzfrei zu nutzen und bietet gerade für WPANs ausreichende Übertragungseigenschaften. Auf der physikalischen Ebene wird DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) benutzt. Dieses Verfahren ersetzt das zu übertragende Bit durch ein Muster mehrerer Bits, Chips genannt, und überträgt dieses mit sehr geringer Sendeleistung. Nur ein Empfänger, der das Muster kennt, kann die Nachricht dekodieren. Übertragungen mit verschiedenen Mustern stören einander bei entsprechender Wahl der Muster kaum. Auf der Zugriffsebene kommt CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) zum Einsatz. Ein Teilnehmer, der senden will, prüft, ob bereits eine andere Übertragung stattfindet. Dann wartet er nach einem Zufallsalgorithmus, bis er einen neuen Übertragungsversuch unternimmt. Die übertragenen Pakete selbst werden durch CRC-Prüfungen (Cyclic Redundancy Check) überwacht.

Die Topologie der auf IEEE 802.15.4 basierenden Netzwerke wird beispielsweise durch ZigBee festgelegt, das drei Topologien unterstützt (Stern, Baum und Maschennetzwerk), und für diese die Spielregeln definiert. Diese sind recht kompliziert, da eine große Zahl möglicher Anwendungen abgedeckt werden soll und insbesondere auch räumlich weit ausgedehnte Netzwerke mit Routern ermöglicht werden sollen.

Für einfachere Probleme, etwa Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder Sterne von Messgeräten, die alle nur mit einem Knoten kommunizieren, verzichtet man deshalb häufig auf den Aufwand von ZigBee und definiert ein einfaches Netzwerkprotokoll über IEEE 802.15.4. Auf Interoperabilität mit fremden Geräten lässt sich in solchen Fällen häufig verzichten; die Koexistenz gewährleistet IEEE 802.15.4.

Bereits dieser kurze Überblick macht deutlich, dass sowohl die Abgrenzung der Anwendungsgebiete wie auch die Auswahl der dem jeweiligen Problem am besten angepassten Lösung nicht ganz einfach ist. In vielen Fällen sind daher experimentelle Untersuchungen vorab erforderlich.

Angesichts der vielfältigen Anwendungsgebiete wäre ein Test- und Entwicklungssystem wünschenswert, das sowohl technische Anwendungen, etwa aus dem MSR-Bereich (Messen, Steuern, Regeln) wie auch Anwendungen im Infotainmentbereich abdecken könnte und die flexible und kostengünstige Erprobung unterschiedlicher WPANs ermöglichte.

Für den technischen Bereich sind Möglichkeiten der A/D- und D/AWandlung, der Messung von Ereigniszeitpunkten und der Erzeugung von Wellenformen vorzusehen. Für diese Aufgaben bieten sich Mikrocontroller an, wobei wegen der Vielfalt möglicher Aufgaben auf eine ausreichende Leistungsfähigkeit Wert zu legen ist. Für das Infotainmentsegment ist insbesondere möglichst hochwertige Audioübertragung bei möglichst geringer Bandbreite als Modell vorteilhaft. Hier bietet sich MP3 mit variablen Kompressionsraten an.

Als Demonstration der Nützlichkeit und der einfachen Anwendungsmöglichkeiten der Soft- und Hardware soll nun ein Projekt zur Überwachung der Luftverschmutzung in geschlossenen Räumen dienen. Die Messung erfolgt fotoelektrisch wie bei den bekannteren Brandmeldern (Bild 5). Dazu wird das zu untersuchende Gas durch eine geschlossene Messkammer gesaugt. In periodischen Abständen blinkt eine LED, deren Licht je nach Belastung der Luft an Schwebepartikeln streut und dabei auf eine Fotodiode trifft. Einige passive Bauelemente passen das Signal der Fotodiode an und führen es entkoppelt dann dem PSOC zu. Dort verstärkt ein PGA (Programmable Gain Amplifier) das Signal, Bandpassfilter befreien es von unerwünschten Anteilen im DCund im höherfrequenten Bereich. Das nochmals mittels PGA verstärkte Signal wird dann entweder von einem 8-Bit-A/D-Wandler des PSOC digitalisiert oder zu einem der A/D-Wandler des LPC2138 weitergeleitet (Bild 6). Der PSOC steht über den I2C-Bus mit dem LPC in Verbindung und kann während des Betriebes parametriert werden. Die digitalisierten Daten lassen sich drahtlos übertragen und/oder auf einem Memorystick speichern. Die Funkstrecke kann auch beispielsweise der Parametrierung der PGAs und des Bandpassfilters dienen, was es erlaubt, etwa die optimale Verstärkung für das Signal der Fotodiode zu ermitteln.

Als Modell für Infotainment- Anwendungen wird die (Broadcast-)Übertragung von Audioprogrammen im MP3-Format angeboten. Neben der Übertragung von MP3-Dateien aus dem USBStick verfügt der MP3-Baustein von Micronas auch über einen Codec, einen Mikrofon- und Kopfhörerverstärker und Klangregeleinrichtungen. Damit ist es auch möglich, analoges Programm in Echtzeit in MP3 zu wandeln beziehungsweise über die Funkstrecke übertragenes Programm über Kopfhörer oder Aktivlautsprecher wiederzugeben. Da der Baustein auch Elektret- Mikrofone unterstützt, kann auch problemlos mit Sprachübertragung experimentiert werden. Besonders wichtig ist die Möglichkeit, die Kompressionsrate und damit die benötigte Bandbreite der drahtlosen Übertragung in einem weiten Bereich wählen zu können.

Für die Softwareentwicklung für den ARM-Prozessor eignen sich die freien, aber in der Codegröße beschränkten Entwicklungssysteme von IAR oder auch GNU-basierte Tools. Von Cypress gibt es freie Werkzeuge für den PSOC. Alle Prozessoren lassen sich In-Circuit programmieren. (mc)