WLAN und ZigBee für Embedded-Anwendungen

Die Wireless-Standards 802.11 a/b/g und ZigBee wurden zu sehr verschiedenen Zwecken entwickelt und bieten unterschiedliche physikalische Netzwerkeigenschaften. Beide haben jedoch einen festen Platz bei der Entwicklung von Embedded-Produkten.

Die Wireless-Standards 802.11 a/b/g und ZigBee wurden zu sehr verschiedenen Zwecken entwickelt und bieten unterschiedliche physikalische Netzwerkeigenschaften. Beide haben jedoch einen festen Platz bei der Entwicklung von Embedded-Produkten.

Wireless-LAN basiert auf dem IEEE-802.11-Standard, der erstmals im Juli 1997 vorgelegt wurde. Der ursprüngliche Zweck der Entwicklung bestand darin, eine drahtlose Ethernet-Anbindung für Computer bereitzustellen, um auf Kabelverbindungen verzichten zu können. Spätere Versionen des Standards zielten auf höhere Datenübertragungsraten (802.11g) sowie den Betrieb mit einer höheren Frequenz (802.11a), wodurch die Netzwerkleistung in Umgebungen mit starken elektrischen Störeinflüssen verbessert wird. Der 802.11-Standard war zu Beginn auf die Anbindung zwischen Computern ausgerichtet, die Technik wurde aber auch für Industrie- und Embedded-Anwendungen angepasst.

ZigBee dagegen ist ein Protokoll, das speziell für die Geräteanbindung entwickelt wurde. Das von der Zig-Bee Alliance (www.zigbee.org) kontrollierte Protokoll setzt auf dem IEEE-802.15.4-Protokoll auf und wurde im Dezember 2004 fertiggestellt. Es stellt eine Netzwerkanbindung für kleine Geräte bereit und ermöglicht die drahtlose Fernüberwachung von Sensoren und die Kontrolle von einfachen Eingabegeräten wie z.B. Lichtschaltern. Charakteristisch für diese Geräte sind in der Regel niedrige Anforderungen an die Datenübertragungsrate und ein geringer Stromverbrauch.

Die typischen Leistungseigenschaften von ZigBee- und WLAN-Netzwerkgeräten sind in der Tabelle zusammengefasst.

Dieselbe Frequenz, ähnliche Reichweite

Sowohl ZigBee als auch der 802.11-Standard verwenden weltweit die 2,4-GHz-Frequenz. Die Verbindungsreichweite ist bei beiden Fällen sehr ähnlich. Die Hauptunterschiede zwischen ZigBee und WLAN liegen in der Datenübertragungsrate, dem Stromverbrauch und den Netzwerktopologien. Der 802.11-Standard stellt entsprechend seiner ursprünglichen Ausrichtung an Computernetzwerken schnelle Netzwerkverbindungen (11 bis 54 Mbit/s) bereit, wohingegen bei Zig-Bee eine Datenübertragungsrate von 250 Kbit/s erreicht wird. Während also der 802.11-Standard das Streaming großer Datenmengen und webbasierte Anwendungen unterstützt, eignet sich ZigBee besser für regelmäßig oder intermittierend gesendete Daten beziehungsweise für die Übertragung einzelner Signale zwischen Sensor und Eingabegerät.

Der 802.11-Standard kann im Peer-to-Peer-Modus verwendet werden, für die Kommunikation von drahtlosen 802.11-Geräten mit einer – oft schon vorhandenen – drahtgebundenen Netzwerkinfrastruktur werden jedoch meist Wireless Access Points verwendet.

Die Datenübertragungsraten bei ZigBee sind niedriger, was gleichzeitig aber auch einen reduzierten Stromverbrauch bedeutet. Akkubetriebene Endgeräte, die per ZigBee funken, können sich den Großteil ihrer Lebensdauer im Ruhemodus befinden und nur nach einer Aktivierung oder bei geplanten Statusaktualisierungen zum Einsatz kommen. Bei einer niedrigen Arbeitszyklusdauer von einem Prozent kann eine Akkulebensdauer von mehreren Jahren erreicht werden.

ZigBee-Netzwerk verbindet tausende Geräte

Die Anbindung von ZigBee-Geräten erfolgt über ein vermaschtes Netzwerk. Dieses lässt sich bis auf tausende von Geräten skalieren, die für eine zuverlässige Nachrichtenübertragung alle über die beste verfügbare Route kommunizieren. ZigBee-Netzwerke werden automatisch aufgebaut und können Probleme eigenständig beheben: Beim Ausfall einer Route wird automatisch auf eine andere gewechselt, ohne den Systembetrieb zu unterbrechen. Diese Art eines vermaschten Netzwerks eignet sich besonders für Produkte, die in großer Anzahl in einer Einrichtung installiert sind, beispielsweise in einem Sensornetzwerk.

Für die Implementierung von Zig-Bee- oder WLAN-Netzwerken in einer Embedded-Anwendung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl. Mit Netzwerk-Chipsätzen kann ein Funksystem eingerichtet werden, wobei bei diesem Ansatz jedoch entsprechende Fachkenntnisse erforderlich sind und ein hoher Zeit- und Kostenaufwand entsteht. Bestimmte Funkkomponenten sind möglicherweise nicht in den kleineren Mengen verfügbar, die für Embedded-Produkte benötigt werden, das Design muss aber gleichzeitig für eine weltweite Bereitstellung zertifiziert werden.

Einen besseren Ansatz bietet die Verwendung von Modulen, die problemlos in das Design von Embedded-Produkten integriert werden können, wie etwa die Module XBee  von MaxStream für ZigBee oder Connect Wi-ME von Digi International für 802.11b.

Beide Module ermöglichen die unabhängige Verarbeitung von Netzwerk- und Anwendungsdaten. Sie enthalten Funkmodems und Mikrocontroller, so dass die Netzwerkdaten nicht mehr vom Hostprozessor des Systems verarbeitet werden müssen. Die Kommunikation zwischen dem Hauptprozessor und dem Netzwerkmodul erfolgt dabei über eine einfache serielle Schnittstelle.

Die mit serieller Schnittstelle ausgerüsteten Module eignen sich für Netzwerke mit niedrigen Anforderungen an die Datenrate, bei denen etwa regelmäßig Daten zu erfassen sind oder einen Status zu überprüfen ist. Connect Wi-ME kann einfach in ein vorhandenes Netzwerk integriert werden und stellt eine umfassende Palette an standardmäßigen Netzwerkdiensten bereit. Das XBee-Modul stellt niedrigere Anforderungen an die Stromversorgung und bietet so eine höhere Wirtschaftlichkeit – speziell dann, wenn bei einer Anwendung eine große Anzahl vernetzter Geräte benötigt wird. Um Daten zur Erfassung und Überprüfung vom ZigBee-Netzwerk auf das Ethernet-Netzwerk zu übertragen, ist jedoch eine Bridge erforderlich.

Sollen bei der drahtlosen Datenübertragung höhere Durchsätze erreicht werden, sind Module wie der ConnectCore WI-9C (Bild 3) verfügbar. Für eine hohe Netzwerkleistung wird bei diesem Modul die Verarbeitung von Anwendungs- und Netzwerkdaten mit einem 32-bit-ARM-Prozessor kombiniert. Um die langfristige Verfügbarkeit sicherzustellen, hat Digi den Mikroprozessor und das Funkmodem selbst entwickelt.

Geringere Kosten dank Vorzertifizierung

Alle Module verfügen über eine Vorzertifizierung, was bedeutet, dass eine Zertifizierung für die großen Weltmärkte bereits vorliegt. Bei der Integration des Moduls in ein Produkt muss also das Produkt selbst nicht neu getestet werden, da sich die vorhandene Zertifizierung auch auf das Produkt erstreckt. Zeit und Kosten für eine weltweite Produktzertifizierung lassen sich so einsparen.

Typische Anwendungen für Zig-Bee-Netzwerke sind drahtlose Sensor-Arrays. Ein Beispiel hierfür sind Temperaturfühler in einer Produktionsumgebung oder bei der Lebensmittelverarbeitung, mit denen die präzise Beibehaltung einer geeigneten Temperatur sichergestellt wird. Zu den Außenanwendungen zählen die Überwachung von Bewässerungssystemen oder auch die Messung von Erdbebenaktivitäten.

Um den 802.11-Standard zu integrieren, versuchen Entwickler gelegentlich, Wireless-Geräte, die ursprünglich für Notebooks oder PCs entwickelt worden waren, für den Einsatz in einem eingebetteten System anzupassen. Hierbei treten jedoch verschiedene Schwierigkeiten auf: fehlende Treiber für Embedded-Betriebssysteme, Probleme bei den Betriebstemperaturen und schnelles Veralten der Geräte – manchmal bereits, bevor die Produktentwicklung abgeschlossen ist. Entwickler sollten keine 802.11-Netzwerkprodukte verwenden, die nicht für den industriellen Einsatz geeignete Komponenten enthalten. ZigBee-Produkte sind auf industrielle Anwendungen ausgerichtet, weshalb sich die meisten ZigBee-Module gut für Embedded-Netzwerkanwendungen eignen.

Zu den typischen 802.11-Anwendungen zählen netzwerkgesteuerte Lösungen zur Stromversorgung oder Thermostate. Über die drahtlose Netzwerkverbindung können diese Geräte Daten an Webserver senden, so dass eine Statusüberprüfung oder eine Datenkontrolle direkt über das Netzwerk ermöglicht werden.

WLAN- und ZigBee-Netzwerke bieten beide effektive Protokolle, die für unterschiedliche Anforderungen von eingebetteten Produkten geeignet sind. Die beiden Netzwerke können in einer Umgebung oder sogar in einem Produkt alleine oder gemeinsam genutzt werden, um eine optimale Netzwerklösung bereitzustellen.

Autor

BSc. Bob Blumenscheid hat Industrial Engineering an der Lehigh University in Bethlehem (USA) studiert. Er kann auf mehr als 20 Jahre Erfahrung im Elektronikund Embedded-Bereich zurückblicken. Seit 2005 ist er als Product Marketing Manager bei Digi International tätig und verantwortet die Entwicklung eingebetteter Module.

Stepan Janouch, Elektronik automotive