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Finden Sie das richtige Wireless-Tool für die Aufgabe

13. November 2020, 09:41 Uhr   |  Jason Tollefson, Sr. Product Marketing Manager, Microchip

Finden Sie das richtige Wireless-Tool für die Aufgabe
© Microchip

Ein Wegweiser durch die vielen Wireless-Optionen auf dem Markt, und die Wahl der besten Lösung für jede Anwendung

Wer eine Aufgabe rund ums Haus erledigen muss, wie ein Bild aufzuhängen oder ein lockeres Stuhlbein zu richten, braucht dafür die richtigen Werkzeuge. Würde man versuchen, ein lockeres Stuhlbein mit einem Hammer zu richten, könnte man kein zufriedenstellendes Ergebnis erwarten. Bei Wireless-Technologien gilt Ähnliches. Jede Technologie bietet spezielle Vorteile, die besonders zu bestimmten Aufgaben passen, und selten funktioniert ein Werkzeug für alle Umstände. Wir werfen einen Blick in den Werkzeugkasten und untersuchen den optimalen Einsatz für jedes der folgenden Wireless-Tools: Bluetooth® Low Energy, Wi-Fi™, LoRa® und IEEE 802.15.4™. 

Die Tools
Bluetooth Low Energy

Durch die Nutzung unserer Smartphones sind wir mit Bluetooth gut vertraut. Wir verwenden Apps zur Kommunikation mit Lautsprechern, Türschlössern, Trainingsgeräten und vielen anderen Produkten. Der Bluetooth Low Energy (BLE) Standard bietet Interoperabilität, geringen Stromverbrauch, eine bedienerfreundliche Benutzerschnittstelle und Reichweiten von 30 bis 100m. BLE ist daher die Technik der Wahl für viele Produkte, bei denen es um Menschen und ihre Telefone geht.

WiFi

Gäbe es eine universelle Wireless-Technologie, dann wäre das WiFi. Wir finden kostenloses WiFi in Hotels, Flughäfen, Cafés, und jetzt auch in den Fahrzeugen, die wir kaufen. WiFi ist beliebt, da es schnell, sicher und bestens geeignet ist zum Senden und Empfangen von Daten über Netzwerke. Der amerikanische Telekom-Provider Home Telecom gibt an, dass die 802.11n Bandbreite für Geräte mit einer einzigen Antenne in realen Umgebungen ca. 25 bis 50Mb/s beträgt – ein deutlicher Unterschied zu weniger als 2Mb/s für Bluetooth Low Energy 5.

Auch wenn WiFi eine gute Reichweite bietet, ist dies den meisten Anwendern nicht gut genug. Reichweite ist einer der wichtigsten Verbesserungspunkte für WiFi. Die Technik-Website Lifewire gibt an, dass die Reichweite eines typischen 802.11n 2.4GHz Netzwerks im Inneren von Gebäuden ca. 46m beträgt. Das ist nicht schlecht, schaltet man aber auf ein 5GHz Netzwerk um, so verringert sich diese Reichweite auf nur 15m.

LoRa

Seit seiner Einführung im Wireless-Markt findet LoRa viel Beachtung. Der Begriff steht für “Long Range”, und macht seinem Namen alle Ehre. LoRa-Netze ermöglichen eine Datenübertragungs-Reichweite von bis zu 10km und halten damit eine Führungsposition bei der Datenkommunikation über große Entfernungen für IoT. Ein weiteres überzeugendes Attribut von LoRa ist geringer Stromverbrauch, wodurch sich diese Technik für dezentrale, batteriebetriebene Sensoren eignet.

Im Gegensatz zu WiFi und BLE erfordert LoRa ähnlich wie unsere Mobiltelefone eine dedizierte Netzwerk-Infrastruktur. Anwender können ihre eigenen Netzwerk-Gateways einrichten oder bei einem Netzwerk-Provider Bandbreite mieten. Ein weiterer Unterschied von LoRa ist der erreichbare Datendurchsatz. LoRa-Netze erzielen einen Durchsatz im Bereich von kbit/s; dies ist wesentlich weniger als bei WiFi oder Bluetooth, aber ausreichend für Sensoren, einfache Befehle und Steuerfunktionen.

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 ist die Basis für Zigbee® und MiWi™ Protokolle, und unterstützt 2,4 GHz oder Sub-Gigahertz Frequenzen, wobei jedes Frequenzband geringfügige Vorteile über das jeweils andere bietet. Diese Wireless-Technik bildet “Mesh-Netze”, und löst die wichtigsten Probleme batteriebetriebene Netzwerke: Stromverbrauch, Zuverlässigkeit, Persistenz und Reichweite.

Eine Reihe von Faktoren können Funk-Netzwerke stören: Bewegung der menschlichen Nutzer, Veränderungen der Umgebung, leere Batterien und temporäre Interferenzen. Mesh-Netze auf der Basis von IEEE 802.15.4 können sich beim Auftreten solcher Störungen selbst heilen. Dieses Feature ermöglicht deutliche Verbesserungen der Netzwerk-Stabilität und damit auch der Zuverlässigkeit der Kommunikation.

Knoten in Mesh-Netzen auf der Basis von IEEE 802.15.4 bieten auch eine bessere Persistenz. Sie lassen sich in den Schlaf-Modus versetzen, und können damit die Datenkommunikation über längere Zeiträume einstellen. Im Unterschied zu Netzwerk-Technologien wie Ethernet oder WiFi, die nicht-kommunizierende Knoten innerhalb eines Netzwerks als „veraltet“ ausschließen können, bieten IEEE 802.15.4 Netze eine dauerhafte Netz-Zugehörigkeit.

Der Durchsatz für IEEE 802.15.4 Netze reicht je nach Konfiguration und gewähltem Protokoll von 100kb/s bis zu 1Mb/s. Diese Netze sind proprietär und bieten wenig bis gar keine Interoperabilität zu bestehenden Infrastrukturen. Tab. 1 unten zeigt eine Zusammenfassung der Netzwerk-Merkmale.

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© Tabelle 1: Überblick der Wireless-Attribute

Umsetzung in den praktischen Betrieb

Nachdem die Stärken aller dieser Wireless-Tools bekannt sind, folgt der nächste Schritt – die Entscheidung über den besten Weg, wie man diese Produkte für einen optimalen Betrieb miteinander verknüpft. Microchip Technologies bietet Wireless-Produktschnittstellen in vier Varianten: UART, SPI, SDIO und Standalone. Die ersten drei Varianten sind für den Betrieb mit einem Host, zum Beispiel einer MCU, einem Mikroprozessor oder einem FPGA konzipiert. Der Standalone-Baustein ist ein Universalbaustein, der in einem Paket oder Modul eine MCU mit einer Funkschaltung kombiniert. Für seine Interface-Produkte hat Microchip sogar Treiber und ASCII-Interpreter entwickelt, die den Einsatz mit den gehosteten Bausteinen vereinfachen. Bei einem Standalone-Baustein lässt sich das Wireless-Protokoll mit dem Code des Anwenders zu einer kompakten und kundenspezifischen Lösung verschmelzen. Tab. 2 zeigt, welche Arten von Schnittstellen für Wireless-Tools zur Verfügung stehen.

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© Tab. 2: Schnittstellen für Wireless-Produkte

Zentrales Kriterium: Wirtschaftlichkeit

Ob es um eine elegante Mobiltelefon-Schnittstellen mit Bluetooth Low Energy geht oder ob man hohen Datendurchsatz mit WiFi und einem SDIO/MPU realisiert, die Auswahl des optimalen Werkzeugs für eine gegebene Anwendung ist entscheidend. Der Einsatz des richtigen Werkzeugs für die gewünschte Aufgabe hilft, wertvolle Entwicklungszeit einzusparen, die Time-to-Market zu verkürzen und den Umsatz zu steigern.

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