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Funknetzwerk für IoT-Applikationen

IQRF – zuverlässig und sicher

25. April 2018, 16:39 Uhr   |  Von Ivona Spurná

IQRF – zuverlässig und sicher
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Mit einer kollisionsfreien und geschützten Datenübertragung will die Funktechnik IQRF bei professionellen und industriellen Anwendungen punkten. Wichtigster Vorteil dürfte aber die einfache Steuerung der mit Mikrocontrollern und Betriebssystem ausgestatteten Transceiver-Module sein.

Die Transceiver für das IQRF-Netzwerk arbeiten für die Datenübertragung mit den lizenzfreien Frequenzbereichen 868 MHz, 433 MHz für den Kurzstreckenfunk (SRD – Short Range Devices) und für Amerika im ISM-Bereich (Industrial, Scientific and Medical) mit 916 MHz. Bei der Frequenz 868 MHz können bis zu 62 Kanäle genutzt werden, deren Bandbreite 100 kHz ist [1].

IQRF-Transceiver ermöglichen es, Daten mit einer Rate von ca. 19 kbit/s zu übertragen. Diese Übertragungsrate ist für Nachrichten zur Steuerung oder für Nachrichten mit Sensor- oder Gerätewerten geeignet. Sie eignet sich nicht für eine Übertragung von größeren Dateien, z.B. Video-Dateien.

Das typische IQRF-Netzwerk (Bild 1) wird von einem Haupt-Transceiver gesteuert, der als Koordinator bezeichnet wird. Dieser kommuniziert synchron mit den anderen Transceivern im Netz, die als Knoten bezeichnet werden.

in IQRF-Netzwerk benötigt einen zentralen Knoten, der als Koordinator das Netzwerk ­steuert. Um neue Knoten in einem IQRF-Netzwerk anzumelden, muss der neue Knoten elektrisch mit dem Koordinator „verpaart“ werden.
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Bild 1. Ein IQRF-Netzwerk benötigt einen zentralen Knoten, der als Koordinator das Netzwerk ­steuert. Um neue Knoten in einem IQRF-Netzwerk anzumelden, muss der neue Knoten elektrisch mit dem Koordinator »verpaart« werden.

Mit Hilfe des Protokolls DPA (Direct Peripheral Access) [2], das die Steuerung der Transceiver durch Daten im vorgeschriebenen Format vereinfacht, ist es möglich, Netzwerke mit bis zu 239 Knoten zu bilden.

Nach der Installierung der benötigten Software in die Transceiver der Knoten werden die Knoten mit dem Koordinator über eine elektrische Verbindung verpaart. Erst danach werden die Knoten an die Positionen gebracht, an denen sie ihre Funktion ausüben sollen.

Das mit den räumlich verteilten Knoten gebildete Netzwerk wird anschließend in einem sogenannten Discovery-Prozess durchsucht. Danach ist das IQRF-Netzwerk strukturiert und die Datenübertragung zwischen den Knoten für den optimalen Betrieb ausgerichtet.

Einsatzbereite Funkmodule

Für die Funkübertragung im IQRF-Netzwerk werden spezielle kleine Transceiver in der Größe einer SIM-Karte eingesetzt. In einem kleinen Modul befindet sich alles, was für eine Funkübertragung nötig ist. Zur Zeit werden am häufigsten die Trancsceiver-Module der Reihen TR-72D und TR-76D verwendet. Beide arbeiten bei 868 MHz bzw. 916 MHz.

Das Transceiver-Modul TR-72D passt in einen SIM-Steckverbinder und enthält je nach Ausführung eine PCB-Antenne und einen Temperatursensor.
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Bild 2. Das Transceiver-Modul TR-72D passt in einen SIM-Steckverbinder und enthält je nach Ausführung eine PCB-Antenne und einen Temperatursensor.

TR-72D

Auf der Hauptplatine des Transceiver-Moduls befindet sich ein Mikrocontroller, ein externes EEPROM, eine Kontroll-Leuchtdiode (rot, grün), sechs E/A-Anschlüsse und fakulativ ein Temperatursensor, eine Antenne als Leiterbahn oder ein Antennenanschluss (Bild 2).

Dieser Transceiver-Typ ist als Modul für den Einsatz in einen SIM-Karten-Steckverbinder konzipiert und kann an einer Versorgungsspannung von 3,1 V bis 5,3 V betrieben werden [3].

Mit dem Transceiver-Modul TR-72D mit PCB-Antenne kann bei optimaler Platzierung im freien Raum eine Reichweite von bis zu 500 m zwischen zwei Knoten erreicht werden. Im geschlossenen Raum hängt die Reichweite von der Dämpfung des verwendeten Baumaterials, vom Materialtyp und vom Materialvolumen ab.

Als SMT-Modul zum Auflöten auf die Geräteplatine bietet das Transceiver-Modul TR-76D zwölf E/A-Anschlüsse.
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Bild 3. Als SMT-Modul zum Auflöten auf die Geräteplatine bietet das Transceiver-Modul TR-76D zwölf E/A-Anschlüsse.

TR-76D

Im Unterschied zum Transceiver-Modul TR-72D bietet das Transceiver-Modul TR-76D zwölf E/A-Anschlüsse (Bild 3). Das Transceiver-Modul TR-76D ist für den Betrieb an einer Betriebsspannung im Bereich von 3,0 V bis 3,4 V ausgelegt.

Es enthält keinen Temperatursensor und auch keine Kontroll-Leuchtdiode und wird auf der Leiterplatte des Geräts aufgelötet [4].

Ein IQRF-Transceiver kann in verschiedenen Betriebsmodi arbeiten. Davon ist auch seine Stromaufnahme abhängig (Tabelle 1).

Software für die Funkmodule

Die IQRF-Transceiver unterstützen verschiedene Betriebsweisen um die Energieaufnahme zu reduzieren.
© Quelle: IQRF Tech

Tabelle 1. Die IQRF-Transceiver unterstützen verschiedene Betriebsweisen um die Energieaufnahme zu reduzieren.

Basis für das IQRF-Netzwerk ist ein Betriebssystem – aktuell in der Version IQRF OS 4.0 (Bild 4). Es wird bereits in der Produktion in die Transceiver geladen. Eine Aktualisierung ist über die Entwicklungsumgebung IQRF IDE möglich.

Über das Betriebssystem kann das »Hardware-Profil« auf das Transceiver-Modul geladen werden. Dieses Plugin legt fest, ob ein Transceiver als Steuerungselement des Netzwerks – als Koordinator – arbeitet oder ob er nur auf die Steuerungssignale reagiert – als Knoten.

Im Mikrocontroller der Transceiver-­Module ist das Betriebssystem bereits implementiert. Auf ihm setzen die Hardware-Profile (HWP) und die Custom DPA Handler (Direct Peripheral Access) auf, die vom Applikationsentwickler programmiert werden können.
© Quelle: IQRF Tech

Bild 4. Im Mikrocontroller der Transceiver-­Module ist das Betriebssystem bereits implementiert. Auf ihm setzen die Hardware-Profile (HWP) und die Custom DPA Handler (Direct Peripheral Access) auf.

Eine weitere Anpassung kann mit Hilfe von »Custom DPA Handler« erfolgen. Es handelt sich hierbei um ein compiliertes Programm in C, mit dem zum Beispiel die Werte eines externen Sensors abgefragt oder PWM-Signale generiert werden können.

Solche Custom DPA Handler können Entwickler selbst schreiben, sie können aber auch die Muster und Beispiele nutzen, die der Hersteller auf der Internet-Seite zur Verfügung stellt.

Eine ausführliche Beschreibung der Arbeit mit Hardware-Profilen und mit Custom DPA Handler ist auf der Internetseite der IQRF Alliance [5] veröffentlicht.

Datenübertragung im Netzwerk

Der Koordinator versendet als Steuerungselement des Netzwerks das Datenpaket mit der Anweisung für den ausgewählten Knoten. Es kann sich dabei um eine Anweisung zur Sammlung von Sensorwerten oder Zustandswerten handeln, oder um eine Anweisung zur Steuerung eines angeschlossenen Geräts, z.B. Maschinen oder Steckdosen. Jeder der Knoten im IQRF-Netzwerk leitet das Datenpaket in seinem Zeitschlitz weiter.

Jeder Knoten hat im Discovery-Prozess eine »Virtual Routing Number« (VRN) erworben, die den oben genannten Zeitschlitz bestimmt. Dadurch kommt es zu keinen Kollisionen beim Senden und das Datenpaket durchläuft das ganze Netzwerk.

Wenn das Netzwerk vermascht ist, das heißt jeder Knoten hört auch andere Nachbarn, so ist das Netzwerk sehr robust gegen Störungen und resistent gegen unerwartete Ereignisse. Wenn ein Knoten aufgrund einer unerwarteten Situation keine Nachrichten sendet oder seine Nachricht von anderen nicht empfangen wird, wird die Nachricht mit hoher Wahrscheinlichkeit mittels anderer Knoten in die Empfangsreichweite der zuvor nicht erreichten Knoten weitergeleitet.

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1. IQRF – zuverlässig und sicher
2. Steuerung des Datenverkehrs
3. Typische Applikationen

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