WLAN, Bluetooth Mesh, Z-Wave, NB-IoT: HF-Entwicklungskits im Vergleich

Das Design von Hochfrequenzschaltungen (HF) wurde von Elektronikingenieuren schon immer als eine Art schwarze Magie betrachtet und am besten den Experten überlassen. Einer der Aspekte, die das HF-Design kompliziert machen, ist die Tatsache, dass Störkomponenten, die in einem Design oft ignorierbar sind, bei hohen Frequenzen eine immer größere Bedeutung erlangen.

Bild 1: Das AC164165 Wi-Fi Smart Device Enablement Kit. Microchip

Beim Layout einer Platine müssen auch Sendeleitungseffekte, Signalverzögerungen und -reflexionen sowie alle Streusignale Berücksichtigung finden, die benachbarte Geräte stören könnten. Letztendlich sind die Einhaltung der Protokollstandards und die behördliche Zulassung die letzten Hürden, die es zu überwinden gilt. Um die Produktentwicklung zu erleichtern, gibt es standardmäßige, vorzertifizierte HF-Module und System-in-Package (SiP)-Produkte, die alle erforderlichen Funktionen beinhalten.

Ein typisches Wireless-Modul besteht aus einem Funk-Transceiver, einem Quarzoszilllator, einem HF-Schaltkreis und einer Leiterplattenantenne. Es beinhaltet auch einen Mikrocontroller mit Firmware zur Implementierung des Protokoll-Stacks. Andere Funktionen, wie Energiemanagement und externe Schnittstellen, lassen sich ebenfalls integrieren. In der Regel umfasst es auch ein spezielles Evaluierungs- und Entwicklungskit. Die Entwicklungskits helfen bei der ersten Evaluierung des Wireless-Moduls. Sie können auch als Software-Entwicklungsplattform und für den Aufbau eines Demonstrators oder Prototyps Verwendung finden. Allerdings ist es nach wie vor wichtig, die Parameter zu verstehen, mit denen die Leistung und Eignung einer Wireless-Technologie für eine bestimmte Anwendung definiert werden. So sind beispielsweise für einige Anwendungen hohe Datenraten oder eine Kommunikation über große Entfernungen erforderlich, während andere mehr auf einen niedrigen Energieverbrauch ausgerichtet sind.

WLAN – der wohl bekannteste Wireless-Standard

Bild 2: Mesh-Netzwerke ersetzen kabelgebundene Verbindungen zu Peripheriegeräten. Mouser Electronics

Der wohl bekannteste Wireless-Standard ist WLAN (auch als Wi-Fi bekannt). Er ist in der Heim- und Büroumgebung weit verbreitet und bietet einen 360-Grad Zugang zu Daten mit hoher Datenübertragungsrate. In Innenräumen beträgt die Reichweite etwa 10 bis 30 m, da Hindernisse wie Wände die Reichweite einschränken, aber im Freien können Entfernungen von über 100 m erreicht werden. Die aktuellen WLAN-Standards verwenden zwei Funkfrequenzen: das 2,4-GHz- und das 5-GHz-Frequenzband. Der 2,4-GHz-Standard liefert Datenübertragungsraten von bis zu 600 Mbit/s. Das höhere Frequenzband kann höhere Datenraten liefern, aber seine Reichweite wird durch Hindernisse stärker eingeschränkt.

Das AC164165 Wi-Fi Smart Device Enablement Kit von Microchip Technology ist eine WLAN-Demonstrations- und Entwicklungsplattform. Sie basiert auf einem kompakten Single-Band-Modul mit 2,4 GHz (ATWINC15x0) und ist für IoT-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch ausgelegt. Der WLAN-Controller unterstützt die Standards IEEE 802.11b/g/n, und ein fortschrittlicher Physical Layer (PHY) sorgt hohe Empfindlichkeit und Reichweite (Bild 1).

Das Mainboard beinhaltet neben dem Mikrocontroller und einer Vielzahl von Standardschnittstellen auch eine Power-Management-Schaltung. Durch den Laderegler für das externe Batteriemanagement von Li-Ionen- oder Li-Polymer-Batterien eignet sich das Board beispielsweise auch für den Prototypenbau von tragbaren Geräten. Integrierte Umgebungssensoren für Feuchtigkeit, Druck und Umgebungslicht ergänzen das System.

Bild 3: Merkmale des Bluetooth Mesh Node-Boards. Cypress

Das Kit ist für die Verwendung mit Amazon Alexa vorprogrammiert und bietet Konnektivität mit der Cloud. Dies erleichtert das schnelle Prototyping. Entwickler können dann Atmel Studio IDE verwenden, um proprietäre Anwendungsfirmware zu schreiben.

Bluetooth Mesh ersetzt Kabelverbindungen zur Peripherie

Bild 4: Das Z-Wave 700 Wireless Starter Kit. Silicon Labs

Bluetooth wird hauptsächlich für die Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet und ersetzt kabelgebundene Verbindungen zu Peripheriegeräten, wie zum Beispiel Druckern. Im Vergleich zu WLAN verbraucht Bluetooth weniger Strom, hat eine geringere Reichweite und eine maximale Datenrate von 1 oder 2 Mbit/s. Durch den kürzlich eingeführten Bluetooth-5-Standard hat sich die Reichweite jedoch erheblich vergrößert, denn nun ist es auch möglich, das Netzwerk zu vermaschen (Bild 2).

Das EZ-BT-Mesh-Evaluierungskit von Cypress enthält vier komplette Bluetooth-Nodes (Knotenpunkte) zur Bluetooth-Mesh-Evaluierung, die ein sofort einsatzbereites, einfaches Netzwerk herstellen. Um ein größeres Netzwerk zu erstellen, fügen lassen sich einfach weitere Nodes hinzufügen.

Das Wireless-Modul basiert auf dem CYW20819, einem Dual-Mode-Bluetooth-5-Bauelement mit geringem Stromverbrauch, und beinhaltet einen Quarzoszillator und eine Leiterplattenantenne. Es verfügt außerdem über ADC- und PWM-Peripheriegeräte und mehrere serielle Schnittstellen, einschließlich einer PCM/I2S-Audioschnittstelle. Außerdem verfügt jedes Mainboard im Kit über USB- und UART-Schnittstellen, eine per Software konfigurierbare RGB-LED und einen Schalter, einen Umgebungslichtsensor, einen Thermistor und einen PIR-Bewegungssensor. Durch den geringen Stromverbrauch eignet es sich für batteriebetriebene Anwendungen. Hierfür ist ein Knopfzellen-Batteriehalter auf dem Board vorhanden (Bild 3).

Zur Unterstützung der IoT-Entwicklung umfasst die Modus-Toolbox-Software-Entwicklungsumgebung eine IDE, Board-Support-Pakete, Middleware-Bibliotheken und zahlreiche Anwendungscode-Beispiele.

Z-Wave für die Heimautomatisierung

Z-Wave ist ein Wireless-Protokoll mit sehr geringem Stromverbrauch, das in erster Linie für Anwendungen im Bereich der Heimautomatisierung entwickelt wurde. Es überträgt kleine Datenmengen intermittierend und arbeitet typischerweise mit einer Knopfzellenbatterie oder Energy Harvesting, um Strom zu erzeugen. Wie andere Wireless-Technologien verwendet Z-Wave ein Mesh-Netzwerk, um die Kommunikation zwischen allen Geräten zu ermöglichen und die Reichweite zu erhöhen (Bild 4).

Das Z-Wave 700 Wireless Starter Kit von Silicon Labs ist eine Evaluierungs- und Entwicklungsplattform mit umfassendem Funktionsumfang. Die Plattform beinhaltet zwei Mainboards mit Add-on-Funk-Boards, die den HF-Transceiver, den Quarzoszillator und weitere Bauteile enthalten. Das Funk-Board kann auch als Referenzdesign für das SiP-Modul ZGM130S zum Einsatz kommen.

Jedes Mainboard verfügt über zahlreiche externe Schnittstellen, inklusive Ethernet und USB, sowie einen microSD-Kartensteckplatz. Ein 128×128-Pixel-LCD, Sensoren für Feuchtigkeit und Temperatur sowie ein Knopfzellen-Batteriehalter sind ebenfalls integriert. Darüber hinaus ist auch ein Erweiterungsheader für Add-on-Boards zur Integration anderer Hardware vorhanden. Die Simplicity-Studio-Umgebung unterstützt die Software-Entwicklung in einer dem Industriestandard entsprechenden IDE mit Anwendungsbeispielen und Tools für Energieprofilerstellung, Konfiguration und Wireless-Netzwerkanalyse.

NB-IoT: LTE-Technologie begrenzt auf 200 kHz Bandbreite

Bild 5: Das Thingy:91 Multisensor Prototyping Kit verfügt über eine Vielzahl an Sensoren. Nordic Semiconductor

Die LTE-Technologie, oder 4G, ist aus dem Mobilfunkbereich gut bekannt. Für IoT- und Low-Power-Anwendungen verwendet der NB-IoT-Standard (Narrow Band IoT) einen Teilbereich von LTE und begrenzt die Bandbreite auf 200 kHz, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

Das Thingy:91 Multisensor Prototyping Kit von Nordic Semiconductor eignet sich sehr gut für die Entwicklung von zellularen IoT-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Es basiert auf dem nRF9160-SiP und verfügt über ein HF-Front-End mit einem Multimode-LTE-M/NB-IoT-Modem. Dadurch unterstützt es Bluetooth, Mobilfunk sowie GPS. Das Kit bietet außerdem ein integriertes Energiemanagement für die wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterie (Li-Po) und eignet sich damit sehr gut für die Entwicklung tragbarer und batteriebetriebener Anwendungen. Darüber hinaus enthält es eine Reihe interessanter und nützlicher Umweltsensoren: Temperatur-, Feuchtigkeits-, Luftqualitäts- und Drucksensoren, Licht- und Farbsensoren sowie zwei Beschleunigungsmesser – diese Sensoren sind sehr hilfreich für Konzeptnachweise und Tests (Bild 5).

Fazit

Auf dem Markt sind viele Wireless-Kommunikationsprotokolle erhältlich. Die richtige Wahl hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Unabhängig davon, welcher Standard gewählt wird, gibt es zahlreiche Module und Entwicklungskits, mit denen sich das Projekt starten, die Entwicklung beschleunigen und die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen lässt. Nach dem ersten Prototyping und der Entwicklung lässt sich durch die Verwendung des gleichen Wireless-Moduls im Endprodukt viel Zeit- und Entwicklungsaufwand einsparen.

(na)