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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

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Zuverlässigkeit in der Kommunikation erfordert Redundanzen

Auf der anderen Seite bietet der Long-Range-Modus eine zuverlässige Übertragung von kleinen 48-Byte-Paketen mit Vorwärtsfehlerkorrektur, die in einer erheblichen Steigerung der Funkreichweite resultiert.

Das verfügbare Spektrum sowohl im 868-MHz- als auch im 915-MHz-Band ist in Raster mit Kanalnummern von 100 bis 140 beziehungsweise 200 bis 252 unterteilt. Dies ermöglicht die genaue Definition der Betriebsfrequenz und die Auswahl des Kanals mit der geringsten Belastung in den jeweiligen örtlichen und zeitlichen Gegebenheiten. Die Sendeleistung ist ebenfalls konfigurierbar von 0 bis 14 dBm in Schritten von 1 dBm, wodurch eine vollständig flexible Konfiguration der physikalischen Schicht erreicht wird. Eine Reduzierung der Sendeleistung führt zur Reduktion der Funkreichweite, aber auch zu einer Verringerung der Stromaufnahme im Sendemodus.

Teilen sich mehrere Funkgeräte denselben Funkkanal, ist die Erstellung eines drahtlosen Netzwerks von wesentlicher Bedeutung. Im Fall des Temperaturüberwachungsbeispiels bedeutet dies, dass in einem großen Industriekomplex mehrere Maschinen mit dem drahtlosen Temperaturüberwachungssystem ausgestattet sind. Der zentrale Host, der diese Systeme steuert, empfängt Temperaturdaten von all diesen Systemen.

Damit stellt sich die Frage, welche Temperatur zu welcher Maschine gehört. Um dieses Problem zu beheben, ermöglicht das AMB8826 die Zuweisung von bis zu 3-Byte-Adressen für jedes Modul. Je nach Adressierungsmodus kann das AMB8826-Modul eine 0/1-Byte-Netzwerkadresse und eine 0/1/2-Byte-Geräteadresse haben. Die Unterscheidung zwischen Netzwerkadresse und Geräteadresse erlaubt das Verwenden von Multicast- und Broadcast-Paketen, also Funkpaketen, die mehrere Empfängerknoten adressieren – so können mit einer einzigen Multicast-Nachricht Temperaturen auf allen Geräten mit der gleichen Netzwerkadresse eingestellt werden.

Zuverlässigkeit in der Kommunikation, insbesondere in für Funk ungünstigen industriellen Umgebungen, erfordert Redundanzen. Das AMB8826-Modul unterstützt einen Mechanismus, bei dem das Benutzerdatenpaket erneut gesendet wird, wenn der Empfänger den Empfang eines Datenpakets nicht innerhalb eines bestimmten Zeitlimits bestätigt. Für die Beispielanwendung kann der Remote-Host bei eingeschalteter Funkbestätigung sicher sein, dass das Modul vor Ort seine Anweisungen erhalten hat.

Der Repeater-Modus des AMB8826 bietet mehrere Vorteile, darunter Reichweitenverlängerung und das Abdecken von Funklöchern mittels Mesh-Topologie: Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Funkwellenausbreitung ist es nicht immer möglich, eine vollständige Abdeckung insbesondere in industriellen Innenräumen zu bieten. Wenn der AMB8826 im Repeater-Modus konfiguriert ist, leitet das Modul ein Paket einfach nach einer zufälligen Back-Off-Zeit weiter. Wenn mehrere Knoten in einer bestimmten Umgebung als Repeater konfiguriert sind, leitet jeder von ihnen Pakete weiter, die nicht an ihn selbst adressiert sind, und bilden so ein Mesh-Netzwerk. Von Natur aus sind solche Netzwerke einfach zu implementieren und erfordern keine komplizierten Routing-Algorithmen.

Mit seinen sehr niedrigen Stromverbräuchen ermöglicht das Modul eine einfache Integration in batteriebetriebene Anwendungen. Eine typische Operation der Beispielanwendung würde das Lesen der Sensordaten jede Minute beinhalten und sie an den entfernten Host senden. Nimmt man eine Sendeleistung von 14 dBm an, eine Funkdatenrate von 100 kbit/s und eine Nutzlast von 42 Bytes (was zu einer Paketlänge von 64 Bytes führt), dann beträgt die Übertragungszeit ungefähr 6 ms, mit einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 33 mA. Die Funk-Leerlaufzeit, wenn der Sensor gelesen, Daten werden empfangen und an den lokalen Host weitergeleitet wird, beträgt ungefähr 10 ms mit einer durchschnittlichen Stromaufnahme von 9 mA.

Für die meisten Entwickler ist ein Prototyp der schnellste Weg, ein Design zu bewerten. Und hier beschleunigen fertige Kommunikations-Module zusätzlich den Prozess. Dabei kann aus einer Reihe von Entwicklungswerkzeugen ausgewählt werden, um das Ziel zu erreichen. Aus Hardware-Sicht ist das AMB8826-Modul auch in einem praktischen USB-Stick-Formfaktor (AMB8865) erhältlich, der direkt an den Computer angeschlossen werden kann. Mit der verfügbaren PC-Software können dann verschiedene Betriebsmodi konfiguriert und ausgewertet werden. Die PC-Applikation greift dabei mittels virtuellem COM-Port auf den Funk-Stick zu und kann so Funkpakete versenden und empfangen.

Alternativ könnte Amber-Pi, ein Zusatzmodul zur beliebten Raspberry-Pi-Plattform, zum Einsatz kommen. Mit einem vollständigen in C geschriebenen SDK fungiert Amber-Pi als eine Evaluierungsplattform, um die Host-Treiber zu implementieren, bevor auf die benutzerdefinierte Hardware umgeschaltet wird. Der Bereich Wireless Connectivity von Würth Elektronik eiSos bietet zahlreiche interessante Lösungen, um die diversen Herausforderungen der drahtlosen Kommunikation zu meistern.