Bild 4: Sensoren kommunizieren drahtlos, Kameras eher drahtgebunden. Die Simple-Link-MCU-Plattform unterstützt beide Arten von Kommunikationsnetzwerken.

Bild 4: Sensoren kommunizieren drahtlos, Kameras eher drahtgebunden. Die Simple-Link-MCU-Plattform unterstützt beide Arten von Kommunikationsnetzwerken. (Bild: Texas Instruments)

In Smart Citys erkennen Drohnen oder Kameras auf Lichtmasten entlang einer Schnellstraße sofort, wenn sich ein Unfall ereignet hat – und senden entsprechende Informationen an den Rettungsdienst und die Verkehrsleitzentrale (Bild 1). Wechselverkehrszeichen zeigen gesperrte Fahrspuren an und empfehlen alternative Routen. Gleichzeitig passen sich Ampelschaltungen der Situation an, um das erhöhte Verkehrsaufkommen besser bewältigen zu können. Radarsensoren erkennen blockierte Fahrspuren, vernetzte Autos werden automatisch umgeleitet und Polizei und Sanitäter gelangen schnell zum Unfallort – eine immense Zeitersparnis. Das beschriebene Szenario illustriert nur eine Facette der Smart City, einer intelligenten Stadt oder einer Metropolregion, die dank eines nahtlosen Geflechts aus Elektronik sicher, sauber und effizient ist. Schon jetzt finden sich in Städten Netze für Verkehrsleitung, städtische Dienste,

Bild 1: Vernetzte Sensorik und Funktechnik erfassen und übertragen Daten für die Steuerzentrale einer Stadt.

Bild 1: Vernetzte Sensorik und Funktechnik erfassen und übertragen Daten für die Steuerzentrale einer Stadt. Texas Instruments

Stromversorgung, Kommunikation und eine ganze Reihe weiterer Aufgaben. Die Vision einer intelligenten Stadt sieht vor, alle diese Netze zu einem Ganzen zu integrieren und sie weiter aufzuwerten, um der Stadt einen reibungslosen Betrieb zu ermöglichen, während gleichzeitig Geld und Energie gespart wird (Bild 2). Abgesehen von der Kontrolle alltäglicher Dienste (zum Beispiel Verkehrsfluss, Wasserverbrauch und Abfallbehandlung) koordinieren die Netzwerke einer intelligenten Stadt auch die lokale Erzeugung und Speicherung von Energie und erfassen fortlaufend Daten. Auf diese Weise lässt sich die Energienutzung ebenso verbessern, wie der Umgang mit Umweltverschmutzung, Kriminalität und Notfällen.

Inzwischen werden in einigen Teilen der Welt Städte schon mit Smart-City-Merkmalen geplant, aber auch etablierte Metropolregionen ergänzen ihre bestehenden Netze zügig durch mehr Sensorik, Kommunikation und Verarbeitung und dehnen die Intelligenz auf mehr Dienste aus. Die Zahl der Anwendungen, die zur Unterstützung kommunaler Dienste dienen, ist potenziell unendlich, doch sind es ganz bestimmte Arten von Diensten, die in Diskussionen über die intelligente Stadt häufig zur Sprache kommen. Dazu gehören die Stadtplanung, die Verkehrsregelung, das Parken, die Erzeugung und Verteilung von Energie, die Energienutzung, die Instandhaltung öffentlicher Bereiche, die Wasserversorgung, die Abfallbehandlung sowie die öffentliche Sicherheit.

Texas Instruments bietet die Technologie an, die bei der Entwicklung intelligenter Städte helfen kann und unterstützt jeden Abschnitt der Signalkette – von der Sensorik über die Signalaufbereitung und Steuerung bis hin zur Kommunikation.

 

Welche technischen Voraussetzungen für das IoT im städtischen Bereich notwendig sind, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Technische Voraussetzungen

Bild 2: Durch bedarfsorientieres Dimmen von Straßenleuchten lassen sich Energieeinsparungen an Ladestationen erreichen.

Bild 2: Durch bedarfsorientiertes Dimmen von Straßenleuchten lassen sich Energieeinsparungen an Ladestationen erreichen. Texas Instruments

Auf vielerlei Weise ist die intelligente Stadt auf die Nutzung des IoT in ihrem gesamten Bereich angewiesen. Das bedeutet, dass zahllose Sensoren und kleine Systeme über Gateways und die Cloud mit städtischen Steuerungszentralen kommunizieren, um für den reibungslosen Betrieb der städtischen Dienste zu sorgen. Ebenso wie beim IoT muss der technische Aufwand für die einzelnen Sensorknoten auch in der Smart City minimal und erschwinglich sein, und der Energiebedarf im Betrieb darf nur gering sein.

Von den Knoten aus gesehen weiter stromaufwärts, also in den Gateways, besonders aber in der Cloud und den Steuerungszentralen, wird ein leistungsfähiger, breitbandiger und mehrkanaliger Betrieb immer wichtiger. Die Hersteller der Ausrüstungen für die intelligente Stadt sowie die Kommunen als Kunden dieser Hersteller müssen nach skalierbaren elektronischen Lösungen Ausschau halten, die die gerade skizzierten Anforderungen erfüllen.

Fernsensoren

Fernsensoren sind normalerweise klein und dürfen keine routinemäßigen Batteriewechsel erfordern. Es gibt unterschiedlich komplexe Sensoren, aber ein bestimmter Sensor kann eines oder mehrere Sensorelemente für Temperatur, Sonnenlicht, Radar, Lidar oder die Erkennung von Chemikalien enthalten, kombiniert mit A/D-Wandlung, Signalverstärkung, lokaler Aufbereitung, einer Kommunikationsschnittstelle, drahtloser Übertragung, einer Batterie und Power Management. Alle diese Funktionen müssen in ein knopfgroßes Modul passen, das an einem Mast, einem Träger, einer Wand oder einer anderen Struktur angebracht werden kann, wo der Sensor seine Funktion jahrelang ohne Unterbrechungen oder Ausfälle erfüllen kann.

Eck-Daten

Das intelligente, elektronische Management von Städten schreitet seit längerer Zeit voran, aber die Vision der Smart City verleiht dem Trend enormen Auftrieb. Städtische Netzwerke für Stromversorung, Kommunikation, Verkehr und Ressourcenmangement werden im Konzept der intelligenten Stadt integriert. Zahllose Informationserfassungspunkte bedienen die städtischen Dienste und speisen ihre Daten in die Cloud ein. Der Beitrag von Texas Instruments gibt einen Überblick über das Konzept der intelligenten Stadt, die technischen Voraussetzungen und konkreten Lösungsangebote für Sensorik, Stromversorgung, Netzwerk-Kommunikation und Datenaufbereitung.

Um diese Vorgaben zu erfüllen, sind Sensoren mit extrem wenig Strom verbrauchenden ICs bestückt, die die Batterielebensdauer verlängern oder den Betrieb mit Energie ermöglichen, die beispielsweise in Form von Licht oder Vibrationen aus der Umgebung geerntet wird. Ein Sensor kann sich immer nur für eine kurze Zeitspanne aktivieren, Messgrößen erfassen, digitalisieren und übermitteln und sich anschließend wieder in den Schlafzustand zurückversetzen. Die Kommunikation kann dabei mit einer sehr geringen Bitrate erfolgen, um Energie zu sparen. Da sich derartige Sensoren häufig an entlegenen Orten befinden, spielt die drahtlose Übertragung eine zentrale Rolle dafür, das Netz aus Sensoren weit zu spannen. Dementsprechend werden stabile Techniken mit optimierten Stromspar-Eigenschaften benötigt.

 

Digitale Videokameras verursachen eine große Datenflut. Wie sich diese bewältigen lässt zeigt der Beitrag auf der folgenden Seite.

Digitale Videokameras

Da digitale Videokameras eine immense Datenflut erzeugen, kommt es bei ihnen speziell auf Techniken zur Reduzierung der Bandbreite und des Stromverbrauchs an. Zum Beispiel können Kameras in bestimmten Zeitspannen oder nur beim Erkennen einer Bewegung aktiviert werden. Die erfassten Bilder lassen sich anschließend innerhalb der Kamera auf relevante Objekte absuchen, sodass nur die wirklich wichtigen Informationen übertragen werden müssen. Mit ausgefeilten Kompressionsverfahren lässt sich zusätzlich die für die Kommunikation erforderliche Bandbreite minimieren. Objekterkennung und Kompression werden durch Videoprozessoren ermöglicht, die mit Beschleunigern für die schnelle Signalverarbeitung ausgestattet sind.

Gateways, die die von mehreren Sensor- und Kameraknoten übermittelten Daten bündeln, sind sehr verarbeitungsintensiv und somit auf leistungsfähige Mikroprozessoren angewiesen, um die von den Knoten empfangenen Daten auszuwerten und zu entscheiden, ob lokal weitere Maßnahmen einzuleiten sind. Zum Beispiel kann ein Gateway, das einen bestimmten Abschnitt einer Schnellstraße kontrolliert, möglicherweise bestimmte Fahrspuren umleiten und die kombinierten Daten per Cloud an die Verkehrsleitzentrale weiterleiten. Auch wenn diese Gateways normalerweise mit Netzstrom versorgt werden, können auch sie von stromsparender Elektronik profitieren, denn sie können dadurch auf weniger Raum mehr Funktionen enthalten, ohne zu überhitzen. Gateways erfordern unter Umständen auch schnelle, mehrkanalige Kommunikations-Funktionen, um mit den Knoten und den übergeordneten Steuerungszentralen in Verbindung zu bleiben.

Die Steuerungszentralen selbst benötigen noch intensivere Kommunikations- und Verarbeitungs-Funktionen und sind folglich auf möglichst leistungsfähige ICs angewiesen. Steuerungszentralen sowie die Cloud im Allgemeinen erfordern einfach programmierbare, skalierbare Lösungen, um die sich fortwährend ändernden Anforderungen der städtischen Dienste zu erfüllen. Benötigt werden unter anderem Multicore-Prozessoren mit Hardware, die speziell auf die wichtigsten Signalverarbeitungs-Aufgaben ausgerichtet ist, sowie flexible Kommunikationsschnittstellen und ein hocheffizientes Power Management.

 

Auf der nächsten Seite um die Sensor-Signalaufbereitung und darum, wie sich eine stromsparende Steuerungs-Sensorik realisieren lässt.

Senoren und Signalaufbereitung

Bild 3: Millimeterwellen-Sensoren eignen sich für die Verkehrsüberwachung in Smart Citys.

Bild 3: Millimeterwellen-Sensoren eignen sich für die Verkehrsüberwachung in Smart Citys. Texas Instruments

TI-Sensoren erfassen Daten zu einem weiten Bereich von Zuständen. Neben den eigentlichen Sensorelementen enthalten Sensoren auch Signalverarbeitungs- und Kommunikations-Funktionen, einige darüber hinaus auch Verarbeitungs-Funktionen, die auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten sind. Zu den hochintegrierten Versionen gehören die unlängst vorgestellten Millimeterwellen-Radarsensor-Portfolios IWR1x und AWR1x, die eine bis zu dreimal höhere Erfassungsgenauigkeit erzielen als bisher angebotene Millimeterwellen-Lösungen. Die Single-Chip-Bausteine vereinen in sich sowohl Sensortechnologien als auch Signalverarbeitung und Datenkommunikation (Bild 3).

Ein Beispiel ist der programmierbare Signalaufbereiter PGA900. Die Kombination aus Millimeterwellen-Radar, Single- oder Multicore-Mikrocontrollern und digitalen Signalprozessoren (DSPs) ermöglicht Designern die Implementierung einer intelligenten, kontaktlos arbeitenden Sensorlösung, die Fahrzeugen dabei hilft, zu interagieren und anderen Fahrzeugen, Menschen und Objekten auf der Straße auszuweichen.

An Referenzdesigns gibt es das TIDEP-0092 für intelligente Fahrzeuge in intelligenten Städten und das TIDEP0090 IWR1642 für die Verkehrsüberwachung. Weitere Module sind das TIDA-00561 mit einem drahtlosen pH-Transmitter für Prozesssteuerungen und das TIDA-00851 für die Erfassung und Übertragung von Temperaturmesswerten in kleinen und unkomplizierten Implementierungen.

Analoge Eingangssignale müssen durch Operationsverstärker und ADCs zunächst optimal a

ufbereitet werden. Zu den Lösungen für die Sensor-Signalaufbereitung gehört die LPV81x-Familie von TI. Diese enthält die Präzisions-Nanopower-Operationsverstärker für stromsparende Anwendungen. Das ADC-Angebot von TI für eine Vielzahl von Anwendungen reicht von schnellen und hochpräzisen Ausführungen bis zu Ultra-Low-Power-Versionen für den Einsatz in Sensoren.

Stromsparende Steuerungs-Sensorik

Die MCU-Plattform MSP430 von TI bietet ein umfangreiches Portfolio an Ultra-Low-Power-MCUs. Verbesserungen in Sachen Performance, Integration und einfaches Design ergeben beste Voraussetzungen für Sensor- und Mess-Anwendungen in intelligenten Städten. Das LEA-Modul (Low-Energy Accelerator) der MSP430FR5994-MCUs gibt Anwendern die Möglichkeit zur Nutzung DSP-basierter, komplexer Funktionen ohne DSP-Programmierung, wodurch sich die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen um den Faktor 40 steigern lässt. Zu den integrierten, applikationsspezifischen Bauelementen gehört die aus Ultraschall-Sensor- und Mess-MCUs bestehende Familie MSP430FR6047, die für hohe Genauigkeit bei der Durchflussraten-Messung in Gas- und Wasserzählern sorgt.

 

Welche Lösungen Texas Instruments für anspruchsvolle Systeme wie Gateways und in der Netzwerk-Kommunikation bietet, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Rechenpower und Datenaufkommen

Für anspruchsvolle Systeme wie etwa Gateways, Schutzrelais im Smart Grid und die Cloud bietet TI seine Prozessorfamilie Sitara an, die einer Vielzahl von Anforderungen in intelligenten Städten gerecht wird. Auf ARM-Cortex-A-Kernen basierend, zeichnen sich diese skalierbaren Prozessoren durch flexible Peripherie, Konnektivität, einheitliche Softwareunterstützung und Security-Optionen aus. Während der Prozessor AM335x Performance und Kosteneffizienz in sich vereint, punktet der AM437x mit hohem Echtzeitdurchsatz.

Der AM57x wiederum bietet Konnektivitäts- und Multimedia-Funktionalität. Um mit dem hohen Datenaufkommen Schritt halten zu können, sind Videokameras auf schnelle Signalaufbereitung und leistungsfähige Videoprozessoren angewiesen. Für eingebettete Systeme warten die Sitara-Prozessoren mit der Hardwarebeschleunigung von Videoalgorithmen auf, um schnelle Kompression, Objekterkennung und andere Videoaufgaben zu ermöglichen.

Netzwerk-Kommunikation

Bild 4: Sensoren kommunizieren drahtlos, Kameras eher drahtgebunden. Die Simple-Link-MCU-Plattform unterstützt beide Arten von Kommunikationsnetzwerken.

Bild 4: Sensoren kommunizieren drahtlos, Kameras eher drahtgebunden. Die Simple-Link-MCU-Plattform unterstützt beide Arten von Kommunikationsnetzwerken. Texas Instruments

Während sich die meisten Sensoren auf die drahtlose Kommunikation stützen können, lassen sich die von Kameras erzeugten Datenströme häufig nur mit leitungsgebunden Netzwerken bewältigen (Bild 4). TI entwickelt auf Basis der Simple-Link-MCU-Plattform Konzepte für beide Arten von Netzwerken. Die aus Hardware, Software und Tools bestehende Plattform stellt eine durchgängige Entwicklungsumgebung zur Verfügung, in der der Code uneingeschränkt für drahtlose und leitungsgebundene Designs wiederverwendbar ist.

Angefangen bei einem stromsparenden Host-Controller und Unterstützung für die leitungsgebundene Kommunikation mit den MSP432-Bausteinen, bis zur Unterstützung von Bluetooth 5, Zigbee, Sub-Gigahertz und kommenden Standards wie Thread durch die Wireless-MCUs CC26xx und CC13xx, schafft die Simple-Link-Plattform die Voraussetzungen zum Bau und zur einfachen Konfiguration des gesamten Systems für die erforderliche Konnektivitäts-Technologie. Hierfür stehen ein einheitlicher Softwareupdate-Mechanismus, gleiche APIs (Application Programming Interfaces) und eine durchgängige Entwicklungsumgebung zur Verfügung.

 

Auf der folgenden Seite beleuchtet der Beitrag Lösungen zur Stromversorgung und zum Schutz von IoT-Komponenten für die Smart City.

Stromversorgung

Das von TI angebotene Spektrum an Leistungswandlungs- und Power-Management-Lösungen unterstützt Spannungen von weniger als einem Volt bis zu einigen hundert Volt. Ein Beispiel bei den Hochspannungs-Lösungen ist der isolierte zweikanalige Gatetreiber UCC21520, der mit sehr guter  Signallaufzeit und Pulsweiten-Verzerrung unterschiedliche Arten von Leistungsschaltern ansteuern kann. Designern von Anwendungen wie etwa Elektrofahrzeug-Ladegeräten steht das Referenzdesign TIDM-1000 Vienna mit Dreiphasen-Leistungsfaktor-Korrektur zur Verfügung, das die Gleichrichtung mit C2000-MCUs steuert. Auf ähnliche Weise verwendet das Referenzdesign TIDM-1001 C2000-MCUs zum Erzielen einer hohen Leistungsfähigkeit und Leistungsdichte in zweiphasigen Interleaved-LLC-Resonanzwandlern für unterschiedliche Arten von Stromversorgungen.

Als spezielle Stromversorgungen für Mikroprozessoren gibt es beispielsweise das Power-Management-IC (PMIC) des Typs TPS65218, das für Flexibilität in portablen und stationären Anwendungen ausgelegt ist.

Zu den Funktionen, die hilfreich für Fernsensoren sind, gehören Batteriemanagement- und Energy-Harvesting-Bausteine wie die Energy-Harvesting-ICs BQ25570 und BQ25505, die für das Laden aus Solarzellen und anderen Energiequellen in der Umgebung zum Einsatz kommen können. Das Smart-Lock-Referenzdesign TIDA-00757 enthält eine Gleichspannungswandler-Lösung mit sehr geringer Ruhestromaufnahme, was eine Betriebszeit von fünf Jahren mit vier AA-Zellen ermöglicht. Das Referenzdesign TIDA-00690 implementiert einen Funk-Schalter mit Energy-Harvesting, während das Modul TIDA-00246 eine allgemeine Stromversorgung auf der Basis von Energy-Harvesting bietet. Diese und andere Lösungen sind eigens dafür ausgelegt, in Sensoren und anderen Anwendungen, in denen es auf geringe Leistungsaufnahme ankommt, für einen extrem geringen Stromverbrauch zu sorgen.

Schutzlösungen

Hohe Integrationsgrade bedeuten, dass Signale mit stark differierenden Spannungen und Frequenzen voneinander isoliert werden müssen, um die Signalintegrität zu wahren und Menschen und Anlagen zu schützen. In seinem Stromversorgungs-Portfolio und anderen Segmenten bietet TI deshalb Optionen für eine integrierte verstärkte Isolation. Zu den Bauelementen, mit denen sich geschützte, zuverlässige Lösungen implementieren lassen, gehört beispielsweise der achtkanalige Signal-Conditioner ADC8688 mit 16 Bit Auflösung, hoher Abtastrate und einem weiten Eingangsbereich. Dieser Baustein kommt unter anderem in verteilten Stromnetzen zum Einsatz. Das Referenzdesign TIDA-01333 ist eine sehr kleine Implementierung zur Isolation von analogen Signalen und der Stromversorgung.

Mit dem Ziel, die Entwicklung zu vereinfachen und zur Verkürzung der Markteinführungszeit beizutragen, bietet TI neben den bereits erwähnten Lösungen zahlreiche EVMs (Evaluation Modules), Referenzdesigns und Entwicklungswerkzeuge an, sowie umfangreiche Dokumentation und weltweiten regionalen Support.

Dieser Beitrag ist eine stark komprimierte Version des Whitepapers zu Technologien für intelligente Städte. Das Whitepaper in englischer Sprache ist auf der Website von Texas Instruments verfügbar.

Miro Adzan

Miro_Adzan
General Manager Factory Automation & Control bei Texas Instruments

Ajinder Singh

Ajinder_Singh
General Manager Building Automation, Lighting & Industrial bei Texas Instruments

Henrik Mannesson

Henrik_Mannesson
General Manager Grid Infrastructure bei Texas Instruments

(na)

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