2G-Prepaid-Modul für schnelle IoT-Produktentwicklung

Das Internet der Dinge, kurz IoT (Internet of Things), gilt als wichtiger Zukunftsmarkt – und auch als Schmelztiegel für Branchen und Technologien. Die auf IoT und M2M-Kommunikation spezialisierten Marktanalysten Machina Research gehen davon aus, dass die Zahl der IoT-Geräte von sechs Milliarden im Jahr 2015 auf 27 Milliarden im Jahr 2025 zunehmen wird. Andere Beobachter prognostizieren sogar, dass bereits 2020 über 25 Milliarden IoT-Knoten aktiv sind – ein enormes Potenzial.

Drahtlose Konnektivität ist in diesem IoT/M2M-Markt eine Schlüsselfunktion. Für viele Applikationen, zum Beispiel in den Bereichen Wellness/Fitness, Gebäudesicherheit und -automatisierung, reichen die begrenzten Reichweiten von Funktechniken wie WLAN, BLE oder Zigbee aus. Heute sind rund 70 Prozent aller IoT-Produkte über solche Technologien angebunden.

Viele neue, innovative IoT-Anwendungen benötigen jedoch eine örtliche Ungebundenheit der IoT-Endpunkte – beispielsweise das Location-Tracking in der Bau- oder Logistikbranche (Bild 1) oder Nahverkehrs- und Car-Sharing-Anwendungen (Bild 2) in Smart Cities. Daher werden immer mehr Geräte über Mobilfunk angebunden: Machina Research prognostiziert hier eine Zunahme von heute rund 400 Millionen IoT-Devices auf 2,2 Milliarden im Jahr 2025. Fast die Hälfte dieser IoT-Verbindungen wird laut der Prognose auf den Connected-Car-Sektor entfallen.

Mobilfunk für IoT-Anwendungen

Das Verschmelzen von Technologien mit unterschiedlichen Entwicklungsgeschwindigkeiten, die auch noch Teil verschiedener Wertschöpfungsketten sind, ist eine große Herausforderung für Entwickler. Beim IoT treffen beispielsweise Funkstandards auf industrielle Long-term-Applikationen. Ein Aufzug etwa muss bei regelmäßiger Wartung mehrere Jahrzehnte funktionieren. In dieser Zeit entwickeln sich Wireless-Technologien mehrere Generationen weiter. Trotzdem muss sichergestellt sein, dass beispielsweise IoT-Alarmgeber über Jahre zuverlässig funktionieren. Daher sind Entwickler gut beraten, auf eine breit eingeführte Funktechnik zu setzen.

Eine besonders großflächige Abdeckung bietet das GSM-Netz (Global System for Mobile Communication). Es löste Anfang der 1990er Jahre die analogen Mobilfunkstandards der ersten Generation ab und markiert den Wechsel zum Mobilfunk der zweiten digitalen Generation („2G“). Heute ist GSM mit seinen Derivaten GPRS und EGDE der weltweit am weitesten verbreitete Mobilfunkstandard. In Europa ist er praktisch überall verfügbar.

2G erreicht im Vergleich zu seinen Nachfolgern wie UMTS (3G) und LTE (4G) nur recht bescheidene Datenraten. Für das Übermitteln von Sensordaten und Steuerbefehlen reichen diese aber problemlos aus. Gegenüber „Low Power Wide Area Networks“ (LPWAN) wie zum Beispiel Sigfox oder LoRa bietet 2G den Vorteil einer uneingeschränkten bidirektionalen Kommunikation zwischen Basis und IoT-Knoten. Eine zuverlässige Netzwerkinfrastruktur ist bereits vorhanden, und der Datendurchsatz kann deutlich höher sein.

Darüber hinaus verfügt 2G über integrierte Security- und Quality-of-Service-Funktionen, die eine hohe Verbindungsqualität und Datensicherheit ermöglichen. Hinzu kommen die vergleichsweise geringen Kosten für Infrastrukturausrüstungen und Komponenten. Mit diesen Eigenschaften ist 2G als Verbindungstechnologie für IoT-Applikationen gut geeignet.

Wie bei jeder Wireless-Technologie ist jedoch auch die Nutzungsdauer von 2G begrenzt. In der Schweiz haben erste Provider einen Ausstieg für 2020 angekündigt. In anderen europäischen Ländern wird der Funkstandard deutlich länger verfügbar sein. Mobilfunknetzbetreiber Orange bietet eine Verfügbarkeit bis mindestens 2025. Dafür arbeitet der französische Konzern in jedem EU-Nachbarland mit wenigstens zwei Roaming-Partnern zusammen.

2G-Konnektivität ohne Aufwand nutzen

Damit ein Mobilfunkprovider die von Endgeräten übertragenen Daten eindeutig zuordnen und regelmäßig fakturieren kann, müssen sich die verwendeten SIM-Karten jederzeit eindeutig identifizieren lassen. Dazu muss je Karte ein Account vorhanden sein. Für Entwickler von IoT-Lösungen bedeutet das Aufsetzen und Betreiben der nötigen Verwaltungs- und Payment-Prozesse einen enormen Aufwand. Das erforderliche Zuordnen und Nachverfolgen der SIM-Karten verkompliziert darüber hinaus die Produktion der Endgeräte. In Summe verlängert dies die Entwicklungszeit erheblich.

In schnell wachsenden Märkten wie dem IoT ist jedoch eine kurze Time-to-Market entscheidend. Bei komplexen Produkten ist dafür ein hoher Ressourceneinsatz nötig. Ihren Aufwand können Unternehmen erheblich reduzieren, wenn sie auf Entwicklungsplattformen aufsetzen, die die Basisfunktionalität für ihre geplante Applikation bereits zuverlässig bereitstellen – für IoT-Produkte zum Beispiel Konnektivität und Sensorik. So können sich Hersteller auf das Entwickeln ihrer Applikation konzentrieren.

Bild 3: Das Heracles-Modul von EBV basiert auf einem Mediatek-Chipsatz sowie SIM800H/F-Modulen von SimCom. EBV

Daher hat Distributionsspezialist EBV Elektronik in Kooperation mit dem Mobilfunkprovider Orange den EBVchip Heracles entwickelt – ein speziell für den Einsatz in IoT-Applikationen vorgesehenes 2G-Quad-Band-Konnektivitätsmodul mit verlöteter SIM-Karte und Prepaid-Datenpaket (Bild 3). Es basiert auf einem Mediatek-Chipsatz sowie den bekannten SIM800H/F-Modulen von SimCom, ist jedoch mit nur 16 x 18 x 2,4 mm³ deutlich kompakter. Die fest integrierte SIM-Karte beugt Manipulationen der Endgeräte vor – ein wichtiger Sicherheitsfaktor.

Vier Datenpakete sind verfügbar: Small mit 10 MB, Medium mit 40 MB, Large mit 200 MB und Extra Large mit 500 MB Prepaid-Datenvolumen. Orange ermöglicht, dass diese sich bis mindestens 2025 nutzen lassen. Da Sensor-Applikationen in der Regel sehr wenige Daten übertragen, reichen die Datenpakete auch für einen langfristigen Betrieb aus. Zumal nur Netto-Nutzdaten, nicht aber der Mobilfunk-Overhead berechnet werden. Die speziell auf Sensor-Applikationen abgestimmte Lösung kommt ohne Sprach- und SMS-Funktionalität aus. Das hilft, den Datenverbrauch gering zu halten. Bei Bedarf lassen sich beide Funktionen über separate SIM-Karten nachrüsten.

Mit Preisen ab 15 Euro ist Heracles das weltweit erste und bislang einzige All-in-One-Produkt, das Konnektivität, SIM-Karte und Prepaid-Datenpaket integriert. EBV vertreibt das Modul exklusiv über das EBVchips-Programm seines Product-Innovations-Geschäftsbereichs. Der Distributor übernimmt auch das Aktivieren bestellter Module. Anwender können so kosteneffizient und schnell eigene Produktidee umsetzen und auf den Markt bringen – ohne aufwendige Payment- und Tracking-Prozesse aufsetzen zu müssen.

Keine Hardware-Kenntnisse erforderlich

Damit Unternehmen sofort mit dem Aufsetzen ihrer Applikation loslegen können, hat EBV über sein EBVchips-Programm ein auf Heracles abgestimmtes Entwicklungs-Kit realisiert. Kernprodukt des Kits ist das flexible, kundenfreundliche und sehr kompakte EBV IoT-LGA-Entwicklungsboard. Es ist kompatibel zur beliebten Arduino-Computing-Plattform.

Neben dem Konnektivitätsmodul Heracles enthält das Board alle für den Aufbau eigener IoT-Applikationen erforderlichen Komponenten. Dazu zählen Sensoren für Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, 3-achsige Magnetfeld-, Beschleunigungs- und Gyro-Sensoren, GPS/GLOSSNAS-Empfänger sowie Schnittstellen wie Bluetooth LE und Micro-USB. Zudem sind ein Mikrocontroller sowie ein TLS-Verschlüsselungsmodul vorhanden. Energie liefern ein Li-Akku mit integrierter Ladelogik sowie ein Low-Power-DC/DC-Wandler. Alle Komponenten sind genau für den Anwendungszweck IoT ausgesucht und integriert. Vorteil für Kunden: Aufwendiges, langwieriges Sourcen und Integrieren von Bauteilen entfällt.

Neben allen benötigten Hardware-Komponenten umfasst das Kit auch eine Software-Entwicklungsumgebung. Darüber hinaus erhalten Kunden sämtliche Source-Files und Gerber-Daten inklusive einer detaillierten Teileliste. Diese BOM (Bill of Material) enthält genaue Spezifikationen und Bestellcodes für alle verwendeten passiven und aktiven Komponenten. Wird eine Funktion nicht benötigt, lassen sich die zugehörigen Komponenten aus dem Design entfernen. So kommen Entwickler schnell zum Ziel – einer genau auf ihre Applikation abgestimmten Referenzschaltung.

Das Kit ist auch ohne Anpassungen sofort einsatzbereit. Je Einheit steht Anwendern ein kostenloses Datenvolumen von 200 MB zur Verfügung, das sie etwa für Funktionstests nutzen können. In Kombination mit einem Arduino-Rechner lässt sich so ganz ohne Hardware-Kenntnisse beispielsweise ein Location-Tracker realisieren. Mit dem Kit ermöglicht EBV seinen Kunden einen schnellen Design-In-Start für eine komplette Applikation – vom Sensor bis in die Cloud.

Somit ist das Kit sowohl für kleine Stückzahlen oder Protoypen geeignet – Stichwort Maker-Community – als auch für das Entwickeln eines Referenzdesigns, das als Basis für die Fertigung eines IoT-Produkts mit integriertem Heracles-Modul dient.

Ausblick: LTE im Visier

Heracles ist das erste Ergebnis der langfristig angelegten, strategischen Partnerschaft zwischen Orange und EBV. Darüber hinaus ist es eine nachhaltige Investition des EBVchips-Programms in Hochfrequenzfunk-Kommunikationsmodule. Die Kooperation ist Teil der Essentials2020-Strategie von Orange. Der Mobilfunkprovider verfolgt damit das Ziel, in Europa eine führende Position im Markt für „Connected Objects“ zu erobern. Ihrer gemeinsamen Roadmap folgend arbeiten beide Unternehmen bereits an einem multiprotokollfähigen Modul, das eine unkomplizierte Migration von 2G auf 4G (LTE) ermöglicht.

Mittlerweile sind für LTE Erweiterungen wie LTE Cat M1 und LTE Cat NB1 ratifiziert, mit denen Mobilfunkprovider ihre Netze fit für die M2M-Kommunikation und Applikationen wie energieautarke Funksensoren machen können. Da dieselben Modulationsverfahren wie bei LTE zum Einsatz kommen, reicht bei vielen Basisstationen ein Software-Update für das Funktions-Upgrade aus. Interessant wird der Einsatz dieser Technologien spätestens dann, wenn LTE eine ähnliche Flächenabdeckung erreicht wie heute 2G. Gegenüber LPWAN-Technologien im GSM900-Band erreichen die LTE-Erweiterungen höhere Datenraten und ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation – auch zwischen einer Basis und hunderten von Funksensorknoten.