Mit Mobilfunknetzen & Co. IoT für jedermann verfügbar

DALM-PLUTO SDR, verfügbar bei Digi-Key
DALM-PLUTO SDR, verfügbar bei Digi-Key

Mit der Anpassung der Übertragungsstandards an IoT-Geräte wird die Gestaltung neuer Modulationsschemata immer einfacher. Inzwischen sind zudem zahlreiche neue Sensoren verfügbar, die mit kabellosen Verbindungen kombiniert werden können.

LPWAN-Funktechnologien (Low Power Wide Area Network) sind bereits seit mehreren Jahren in der Infrastruktur von Mobilfunknetzen verfügbar. Das NB-IoT (schmalbandiges IoT), LTE-M und LTE-MTC (Long-Term-Evolution Machine-Type-Connection) sowie die verbesserte eMTC (Machine-Type-Communication) sind sehr beliebt. Der Vorteil dieser Technologien besteht darin, dass vorhandene Funkmasten genutzt werden können, die derzeit für Sprachverbindungen und Übertragungen mit hoher Bandbreite eingesetzt werden. Ein Gerät, das nur gelegentlich Mitteilungen sendet und wenig Steuerung erfordert, benötigt keine hohe Bandbreite. Da viele dieser Geräte zudem batteriebetrieben sind, wurden Standards für geringe Leistungen und geringe Bandbreiten zur Unterstützung dieser Technologiestandards erforderlich.

Zu den anderen Technologien, die nicht innerhalb bestehender Mobilfunknetze funktionieren und für die neue Infrastrukturen angelegt werden müssen, gehören Sigfox, LoRa/LoRaWAN und NB-Fi. Der Nachteil dieser Technologien besteht darin, dass sie einen Uplink für die Anbindung an das Internet erfordern. Netzbetreiber bieten diesen Uplink zwar als Service an, dennoch handelt es sich um ein zusätzliches Computernetzwerk, das berücksichtigt werden muss.

Bei den Betreibern der Mobilfunknetze handelt es sich um große Unternehmen. Daher ist es wenig wahrscheinlich, dass es diesbezüglich zu einem effektiven Wettbewerb kommen wird. Die beste Lösung besteht darin, im Rahmen monatlich bezahlter Verbrauchspläne Zeit in ihren Netzen zu erwerben und Modems zu nutzen, die ihren Standards entsprechen.

Diese von Mobilfunknetzen abweichenden Netze können mit überschaubaren Mitteln ausgebaut werden, sind jedoch in Bezug auf die von ihnen abgedeckten Bereiche sehr eingeschränkt. Ihre Abdeckung erstreckt sich erst dann auf die gesamte Welt, wenn sie mit einem Server verbunden werden, der eine Verbindung zum Internet herstellt.

Sowohl der Zugang zu Mobilfunknetzen als auch die Chips und Module für die Entwicklung von  Niedrigleistungsnetzen sind inzwischen bei Digi-Key Electronics verfügbar sind. Digi-Key bietet auch günstige Mobilfunkverträge, die beispielsweise nur 3 US-Dollar pro Monat für 300 kB Daten und internationalen Service kosten. Dafür benötigt man lediglich ein von einem Mobilfunkanbieter zugelassenes Modem und das Gerät kann online mit der ganzen Welt verbunden werden. Die in diesen Modems enthaltenen Module und Chips sind ebenfalls verfügbar.

Bei elektronischen Lösungen in Form von Modulen wird auch weiterhin ein rapides Wachstum verzeichnet. Wer nicht über das erforderliche Fachwissen verfügt, um Entwicklungen auf Chip-Ebene vorzunehmen, kann ein vorgefertigtes und zertifiziertes Funkmodul erwerben. Dadurch werden nicht nur die erforderlichen HF-bezogenen technischen Fertigkeiten reduziert – die Produkte können auch schneller auf den Markt. Überraschenderweise kaufen Unternehmen, in denen die erforderlichen Fertigkeiten verfügbar sind, nicht nur die in ihren Modulen enthaltenen Chips, sondern auch die kompletten Module. Und zwar jeweils zu Tausenden. Damit wird das Argument gestützt, dass es durchaus von Vorteil sein kann, ein weniger kostenoptimiertes Produkt schneller zu vermarkten, um den Markt für ein neues Produkt zu testen. Wenn der Markt groß genug ist, kann das Produkt bis hin zur Chipebene kostenoptimiert werden. Unter den Chips gibt es jedoch noch eine weitere Ebene: die Wellenform-Ebene.

Mit SDRs (Software-Defined Radios) können Entwickler mit komplett neuen Modulationsschemata experimentieren. Wo der entsprechende Bedarf besteht und der Anbieter über das erforderliche Fachwissen verfügt, kann ein eigenes Funkverfahren entwickelt werden. Aber auch ohne das erforderliche Fachwissen lässst sich beim Experimentieren mit einem SDR viel lernen.

Ein solches SDR ist das Analog Devices Advanced Learning Module Pluto, das einsatzbereit und versandbereit bei Digi-Key verfügbar ist. Diese Einheiten kosten weniger als 150 Dollar (Stand: August 2019). Sie werden über eine USB-Verknüpfung mit einem PC verbunden, beinhalten ein leicht konfigurierbares FPGA und können umfangreiche Unterstützung für die Programmiersprache Python aufweisen. Sie können zudem Signale über einen Bereich von 325 MHz bis 3,8 GHz senden und empfangen.

Darüber hinaus sind bei Digi-Key insgesamt mehr als 210.000 verschiedene Sensoren erhältlich.  Jeder dieser Sensoren oder jede Kombination dieser Sensoren kann in ein Produkt integriert werden, das über verschiedene kabellose Optionen mit dem Internet verbunden werden kann.

Ein weiteres Tool für die Unterstützung der Entwicklung kabelloser Produkte ist das DK IoT Studio. Dieses Rapid Application Development Tool ist kostenlos bei Digi-Key erhältlich. Aus einer webbasierten integrierten Entwicklungsumgebung kann man eine einsatzbereite eingebettete Mikrocomputer-Platine auswählen, diese in der IDE konfigurieren und die eigene Konfiguration mit dem IDE-generierten Open-Source-Code auf die Platine laden. Diese Platine kann mit einem Gerät kommunizieren, das per Kabel oder kabellos über Bluetooth oder WLAN mit einem Host verbunden wird und anschließend alle Daten über das Internet an ein gekoppeltes Smartphone senden kann. Für die Skalierung auf größere Umgebungen sind Optionen gegen eine geringe Gebühr verfügbar.