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Drahtlose Konnektivität

Design-Herausforderungen auch mal proprietär lösen

6. November 2018, 8:56 Uhr | Von Adithya Madanahalli, Software Entwickler von Würth Elektronik eiSos – Division Wireless Connectivity & Sensors

Würth Elektronik eiSos radio modules

Es gibt viele Standards für die Funkkommunikation, aber etliche Herausforderungen lassen sich mit einfachen, energiesparenden und proprietären Funklösungen meistern.

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Drahtlose Kommunikationsverbindungen manifestieren sich als das Phänomen, das allgegenwärtig allen technologischen Fortschritten zugrunde liegt: Von intelligenten Städten bis zur automatisierten Fertigung, von vernetzten Häusern bis zur Gesundheitsversorgung der nächsten Generation – die drahtlose Konnektivität war und ist der entscheidende Faktor für das Internet der Dinge.

Ein Systementwickler, der entweder die nächste große Idee drahtlos oder eine bestehende verdrahtete Verbindung im industriellen System ersetzen möchte, denkt zwangsläufig über den nötigen Aufwand nach, um diese Verbindung zu entwickeln und zu implementieren. Dazu muss er die diversen Herausforderungen kennen, die mit der Aufgabe verbunden sind.

Eine der ersten Herausforderungen besteht darin, die richtige Funkfrequenz unter Berücksichtigung der Reichweite, des Durchsatzes sowie der lokalen gesetzlichen Anforderungen für die umzusetzende Anwendung zu wählen. Die globale Verfügbarkeit und die hohe Bandbreite des 2,4-GHz-ISM-Bandes machen es zu einem attraktiven Frequenzband für Produkte, die auf den globalen Markt abzielen. Das recht überfüllte Spektrum – diese Frequenzen werden unter anderem auch von WLAN und Bluetooth benutzt – und die begrenzte Reichweite sind jedoch oft die Tücken dieses Frequenzbandes. Mehrere lizenzfreie SRD-Bänder (Short Range Devices), einschließlich 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz und 915 MHz, die häufig als Sub-GHz-Frequenzen bezeichnet werden, stellen eine erweiterte Reichweite auf Kosten niedrigerer Datenraten bereit. Alternativ bietet die Nutzung von lizenzierten Frequenzbändern mit Technologien wie GSM oder LTE eine erhöhte Zuverlässigkeit, führt aber auch zu weiteren Kosten durch die anfallenden Nutzungsgebühren.

Der nächste Schritt ist die Wahl der Technologie, die das Verbindungsprotokoll bestimmt. Von den bewährten WLAN- und Bluetooth-Technologien bis hin zu den modernen Low-Power-WAN-Technologien (LPWAN) gibt es eine Reihe von Optionen. Mit der gewählten Basistechnologie und der zugrunde liegenden Betriebsfrequenz steht man nun vor der Aufgabe des Hardware-Designs. Dank der Fortschritte in der Halbleitertechnik ist es möglich, einen hochintegrierten, leistungsfähigen Mikrocontroller mit integrierten HF- und Basisband-Verarbeitungsfähigkeiten zu erhalten. Die Komplexität des Antennendesigns könnte durch Verwendung von Standardlösungen, wie Chip-Antennen, erheblich vereinfacht werden. Dennoch erfordert das Layout der HF-Leitungen mit entsprechenden Anpassungsschaltungen und Filterung sehr spezielle Fähigkeiten und viel einschlägige Erfahrung.

Mit einer stabilen Hardwareplattform rückt der Fokus auf die Software, denn sie bestimmt die tatsächliche Funktionalität. Gut geschriebene Software trägt außerdem wesentlich zur Bestimmung der Energieeffizienz, der Sicherheit sowie der zeitlichen Leistungsfähigkeit und Stabilität eines Systems bei. Komplexe Protokoll-Stacks, die auf einem leichten Echtzeitkern laufen, um genaues Timing und optimales Ressourcenmanagement zu erreichen, stellen weitere Herausforderungen dar.

Sind all diese Herausforderungen gemeistert und man verfügt über eine voll funktionsfähige drahtlose Konnektivitätslösung, ist die nächste Hürde auf dem Weg zum Produkt die Zertifizierung beziehungsweise die Konformität: Alle Geräte, die das Funkspektrum nutzen, müssen den Vorschriften der Frequenzregulierungsbehörden im Einsatzgebiet entsprechen. Für einen Gerätehersteller bedeutet dies, dass das Gerät im Haus oder in einem akkreditierten Labor hinsichtlich der Vorschriften des vorgesehenen Einsatzlandes vermessen und verifiziert werden muss.

Für einen Systementwickler wäre es daher ideal, einen Funktionsblock zu haben, der sich vollständig um die drahtlose Konnektivität kümmert, ohne sich selbst gleichzeitig um die funkspezifischen Aspekte und Besonderheiten kümmern zu müssen – der Funktionsblock muss einfach Daten an einem Ende annehmen und am Zielort abliefern. Die Lösung muss modular und auf die Größe der Anwendung skalierbar sein, ohne dass ein Großteil der Systemressourcen verbraucht wird. Aus kommerzieller Sicht sollte die Lösung eine kurze Time-to-Market bieten, ohne die Systemzuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Genau auf diese Ziele ausgerichtet ist die Abteilung „Wireless Connectivity and Sensors“ von Würth Elektronik eiSos: Mit robuster Hardware, einfach zu bedienender Software und vorvermessenen Modulen bietet sie eine breite Palette von Frequenzbändern und Technologien, einschließlich Bluetooth, Wireless M-Bus und proprietären 2,4-GHz- als auch Sub-GHz-Produkten. Einfachheit ist die Essenz der proprietären drahtlosen Konnektivitätslösungen. Als Beispielapplikation soll ein industrielles System mit einem Temperatursensor und einem Kühlsystem als Aktor dienen: Die Aufgabe ist, die Temperatur alle 100 ms zu überwachen und das Kühlsystem zu steuern, um die Temperatur zu regulieren.