Everything für das Internet of Things

Zum IoT zählen neben verschiedenen smarten Geräten – Smart Watch, Smart TV, Smart Home oder Smart Glass – auch alle Applikationen rund um die Industrie 4.0. Beide Gruppen haben eine Reihe an Gemeinsamkeiten: Sie sind via Internet verknüpft, tauschen selbstständig Informationen aus und stellen diese dem Nutzer oder anderen Geräten zur Verfügung oder steuern und regeln sich auf dieser Basis selbst. Trotzdem  weisen sie auch einige Spezifika auf.

Deshalb konzentriert sich dieser Beitrag auf die kleineren, häufig portablen IoT-Geräte. Sie stammen vor allem aus den Segmenten Lifestyle (Wearable Electronics, Sport-, Fitness- und Spiel-Anwendungen), Komfort (Lösungen für die Heimautomatisierung, Beleuchtungs- und Klimasteuerung, weiße Ware), Healthcare (Patienten-Monitoring, Hörhilfen) sowie Safety (Überwachungs- und Alarmsysteme, Track-und-trace-Lösungen, Rauchmelder).

Konnektivität zählt

Um diese mit dem Internet zu verbinden, gibt es drei Möglichkeiten: per Mobilfunk, per Wi-Fi-Router, sowie per Smartphone über dort enthaltene Kurzstreckenfunkschnittstellen wie Bluetooth Smart und klassisches Bluetooth, NFC, ANT oder Wi-Fi. Welche für das jeweilige Gerät beziehungsweise die Applikation geeignet ist, hängt von einer ganzen Reihe an Faktoren ab und lässt sich nicht pauschal beantworten.

Das zeigt das folgende Beispiel: Der vielzitierte Kühlschrank kann via NFC oder Bluetooth-Low-Energy seine Informationen lokal mit dem Smartphone austauschen, das als Gateway fungiert. Dieses IoT-Konzept verfolgen zum Beispiel Nordic Semiconductor mit der N-RF51-Produktfamilie oder STMicroelectronics mit den Serien M24LR und M24SR. Sollen die Daten des Kühlschrankes jedoch auch außer Haus zugänglich sein – etwa, wenn man im Supermarkt wissen möchte, was noch zu besorgen ist – muss der Kühlschrank direkt mit dem Internet verbunden sein. Da in einem modernen Haushalt meist ein Wi-Fi-Router vorhanden ist, bietet es sich an, auf diese WLAN-Infrastruktur aufzusetzen.

Die Integration eines Wi-Fi-Moduls ist zwar etwas teurer als Bluetooth-Low-Energy oder NFC, doch immer noch günstiger als eine Mobilfunklösung. Hierfür liefert zum Beispiel Redpine Signals mit der RS9113-Serie zahlreiche konfigurierbare Varianten. Für M2M-Lösungen innerhalb des IoT entwickelt, verfügt dieser erste Wireless M2M Combo Chip Dual-Band 11 a/b/g/n Wi-Fi, Dual-Mode-Bluetooth-4.0- und Zigbee-Schnittstellen auf einem Chip. Dadurch lässt sich der Kühlschrank sowohl im Wi-Fi-Netz einbinden und entsprechend durch den DSL-Zugang aus dem Internet ansteuern, als auch per Bluetooth Smart mittels Smartphone-App. Außerdem kann man das klassische Bluetooth zum Beispiel als Serviceschnittstelle nutzen. Die Zigbee-Schnittstelle erlaubt zudem beispielsweise die Einbindung in ein bestehendes Zigbee-Home-Automation-Network.

IoT im Unternehmen

Anders ist die Situation bei IoT-Anwendungen im Unternehmensumfeld. In dem Fall ist es untragbar, dass der Kühlschrank im Pausenzimmer dasselbe Funknetz verwendet wie der Tablet-PC des Geschäftsführers und der Netzwerkdrucker der Auftragsabteilung. Oftmals verbieten die Unternehmens-IT-Richtlinien, Geräte in bestehende WLAN-Netze zu integrieren oder gar das lokale Frequenzband in irgendeiner Weise zu nutzen. Hier lässt sich eine unabhängige Internetanbindung über ein Mobilfunkmodul dann nicht vermeiden. Für alle Anwendungsfälle hat Rutronik eine Reihe an Produkten im Portfolio, von GSM-Modulen bis zu LTE-Lösungen, Antennen und M2M-SIM-Karten sowie SIM-Kartenhalter in unterschiedlichen Bauformen.

Abgesehen von diesen Wireless-Chips und -Modulen gibt es auch neuartige Komponenten, die Endprodukten weitere Anwendungsszenarien eröffnen. Aktuelles Beispiel sind Beacons: Die kleinen Transmitter auf Basis von Bluetooth-Smart ermöglichen eine dezimetergenaue Ortung – anders als GPS und zellulare Mobilfunkortung auch innerhalb von Gebäuden. Über eine Reichweite von gut 100 Metern sendet der Beacon seine Identität (ID) an das Empfangsgerät, etwa ein Smartphone oder ein Handheld-Gerät, aber auch ein mit einem entsprechendem Nordic-Chip ausgestatteten Fahrzeug oder Maschine.

Der Empfänger ruft die mit der ID des Beacon verknüpften Daten aus der Cloud ab. Dies können Informationen sein, die das Endgerät anzeigt, oder auch Aktionen, die das Empfangsgerät ausführt, zum Beispiel das Öffnen einer Internetseite oder eines Formulars, Änderung der Einstellungen oder Aufbau einer WLAN- oder GPRS-Verbindung. So lassen sich Passagiere per Smartphone durch den Flughafen ans richtige Terminal navigieren oder Wartende an der Bushaltestelle erfahren, wann der nächste Bus fährt und ob er pünktlich ist. In der Industrie dienen Beacons beispielsweise zur Zeit- und Positionserfassung, zur Identifizierung von Mitarbeitern für den Betrieb von Maschinen, zum Diebstahlschutz von Maschinen, Geräten oder Materialien wie auch für die Bereitstellung von Bedienungsanleitungen oder Fehlerreports.

Dank energieeffizientem Funkbetrieb reicht eine CR1632-Knopfzelle monatelang für die Stromversorgung. Ein Bluetooth-Smart-Beacon-Kit ist bei Rutronik erhältlich.

Sensorik – Augen und Ohren des IoT

Der weitaus größte Teil der im IoT kursierenden Daten stammt von Sensoren. Meist kommen heute die extrem kleinen und leistungsfähigen MEMS-Sensoren zum Einsatz. Ohne sie wären Wearables wie Smart Watches, Armbänder, Brillen oder Funktionskleidung überhaupt nicht denkbar, doch sie bringen zunehmend Mehrwerte auch in Industrie-, Medizin- oder Spiele-Anwendungen. Das gilt vor allem für die aktuellen Sensor-Hubs, auch Application Specific Sensor Nodes (ASSNs) genannt.

Sie haben bis zu neun Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DoF), das heißt einen dreiachsigen Beschleunigungssensor, ein dreiachsiges Gyroskop und ein dreiachsiges Magnetometer plus einen Mikrocontroller im Gehäuse. Mit weiteren externen Sensoren, wie Druck- oder Umgebungslichtsensoren, lassen sich sogar mehr als zehn Freiheitsgrade realisieren. Damit stellen sie wesentlich genauere und robustere Sensordaten zur Verfügung als Einzelsensoren sie liefern können – auch unter schwierigen Bedingungen. Denn ihre verschiedenen Sensorarten mit jeweils spezifischem Drift- und Rauschverhalten kompensieren die Unzulänglichkeiten des einzelnen Sensors. Zudem punkten sie mit deutlich geringeren Abmessungen und höherer Effizienz als diskret aufgebaute Lösungen, und sie machen das Kalibrieren der Temperatur und die regelmäßige Kalibrierung durch den Nutzer überflüssig.

Hinzu kommt, dass der Großteil des Integrations- und Entwicklungsaufwandes entfällt, so dass sich der Entwickler ganz auf seine Applikation konzentrieren kann, die dann schneller die Marktreife erreichen kann.

Laut Rutronik sind die Markt- und Innovationsführer im Segment der MEMS-Sensoren Bosch Sensortec und STMicroelectronics. Beide sind im Portfolio von Rutronik vorhanden, was bereits den Stellenwert zeigt, den der Distributor der Sensorik einräumt. Zum Sensorportfolio zählen Halbleiter-Hersteller wie Bosch Sensortec, Infineon, Micronas, Osram, STMicroelectronics und Vishay. Dazu kommen noch die Sensoren der Passiv- und Elektromechanik-Hersteller wie Murata und Omron.

Mikrocontroller – zentrale Datenverarbeitung

Zentrale Schaltstelle für die Datenverarbeitung ist auch bei IoT- Anwendungen der Mikrocontroller. Diese Bausteine sind immer häufiger bereits im Funkchip oder Sensor integriert. Wird die Datenverarbeitung diskret gelöst, sollte der Mikrocontroller stromsparende Cores und Architekturen mit passenden Programmiermodellen verbinden.

So führt Microchip MCUs mit Nano-Watt-XLP-Technologie. Dank niedriger Stromaufnahme im Aktiv-Modus, im µA-Bereich und im Schlaf-Modus sogar bis zu 9 nA, einem Brown-Out-Reset mit bis zu 45 nA und Real-Time-Clock mit bis 400 nA Verbrauch, ermöglichen die XLP-MCUs extreme Low-Power-Anwendungen mit einer Batterielaufzeit von über zwanzig Jahren; das auch noch gepaart mit einer kurzen Entwicklungszeit.

Auf höchste Leistung, einen großen Speicher, der nötig ist für bessere Benutzeroberflächen (GUI), schnelleres Ethernet und mehrere Kommunikationsstacks, sowie Connectivity-Peripherien wie Hi-Speed-USB, Ethernet und CAN, setzt die PIC32MZ-Familie.

Da diese Art der IoT-Anwendungen in der Regel mobile Lösungen sind, laufen sie batteriebetrieben. Eine energieeffiziente Stromversorgung ist deshalb ein Muss. Für diese Art der Applikationen ist eine äußerst geringe Ruhestromaufnahme wünschenswert, die eine störungsfreie Laufzeit auch über Jahre sicherstellt. Alternative Stromversorgungen etwa über Solar oder Piezo unterstützen diese Anforderungen. Kleine Gehäuse und bestmögliche Performance sind hier unumgänglich. Rutronik ist auch im Bereich Stromversorgungen, Schaltreglern und ICs für Wireless Charging gut aufgestellt.

Auf Nummer Sicher

Um Schlagzeilen wie den böswilligen Fernzugriff auf das eigene Auto oder Haus zu vermeiden, müssen IoT-Anwendungen unbedingt ausreichende Sicherheitskonzepte aufweisen. Sie umfassen viele Aspekte und Ebenen, von der Verschlüsselung über Tunnelverbindungen, über Datenredundanz und ausreichenden Speicher bis hin zu robusten Systemen nach SIL-Standards. Separate Authentification-Chips und Trusted-Computing-Module können mithilfe des Elliptic-Curve-Cryptographie-Verfahrens zusätzlich die Datenverbindung sichern und einen unbefugten Zugriff auf die Nutzdaten unterbinden.

All diese Komponenten, die für die Realisierung von IoT-Applikationen notwendig sind, erhalten Entwickler bei Rutronik. Der Distributor hat ein Produktportfolio vom Chiplevel bis zur fertigen Lösung aufgebaut. Mit diesem lässt sich die komplette Kette von der Daten-Erfassung und -Verarbeitung über deren Verteilung bis hin zur Visualisierung abbilden. Damit einher geht das Know-how für die Produkte und Anwendungen. Ein Bespiel: Rutronik unterstützte das junge Unternehmen Cosinuss bei der Entwicklung eines Sensors, der durch Pulsmessung im Ohr den Brustgurt ersetzt. Drahtlos sendet er die Daten an Smartphones, Sportuhren oder andere mit Bluetooth 4.0 oder ANT+ ausgestattete Gadgets. Bei einem anderen Projekt wurde eine Straßenleuchte mit LED-Technologie, Photovoltaik, Stromspeicherung und Funkkommunikation für die Fern-Parametrisierung und -Wartung ausgestattet. Und eine Notruf-Uhr dient dank integriertem Funkmodul, Lautsprecher, Mikrofon und Antenne im Gehäuse einer Armbanduhr als Notruf-Telefon.

Um Kunden die Übersicht über die relevanten Komponenten der verschiedenen Produktbereiche zu erleichtern, hat Rutronik seine Angebote gebündelt und unter Rutronik Smart und Rutronik Embedded zusammengefasst. Während Rutronik Smart mit den hier vorgestellten Komponenten gezielt Hersteller von Geräten mit oberflächenmontierten Chips und Modulen adressiert, wendet sich Rutronik Embedded mit Embedded Boards, IPC, Box- und Panel PCs, Speicher, Displays, Wireless-Modulen und Auto-ID-Komponenten, spezifischen Peripherie-Komponenten sowie Kits aus Board, Speicher und Displays an Industriekunden, die steckbare und standardisierte Interfacelösungen innerhalb der Industrie 4.0 bevorzugen.

(rao)