Multi-Funkmodul für M2M- und IoT-Anwendungen

Multi-Funkmodule unterstützen zum Beispiel Funktechniken wie Classic Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE) oder Wi-Fi (2,4 und 5 GHz) und sind speziell für die Entwicklung von Geräten für das Internet der Dinge (IoT) konzipiert, die in völlig unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Beispiele sind Telematik, nutzungsbasierte Versicherung, Fertigung, vernetzte Städte, Gesundheitswesen, Vermögensverwaltung (Asset Management), Gebäude- und Hausautomation, Sicherheitssysteme und intelligente Energieversorgung.

Bild 1: In diesem Anwendungsbeispiel aus dem Einzelhandel ist das Vorhandensein eines Belegdruckers über Bluetooth Low Energy angezeigt. U-Blox

Als Basis von Multi-Funkmodulen dienen integrierte Schaltungen, die eine oder mehrere Funktechniken unterstützen. Multi-Funk-ICs benötigen weniger Platz als diskrete Lösungen mit mehreren Chips oder Chipsätzen und senken die Implementierungs- und Produktkosten.

Bereits zertifizierte Multi-Funkmodule reduzieren zudem den Zeit- und Arbeitsaufwand,  um für das Endprodukt die Typengenehmigung der Zulassungsbehörden zu erhalten. Integrierte Antennen sorgen für Flexibilität in Bezug auf die Einbauposition und –ausrichtung der Module.

Anwendungsbeispiel Smartphone

Welche Vorteile sich durch den Einsatz von Multi-Funkmodulen ergeben, lässt sich am Beispiel von Smartphones verdeutlichen. Für die Hersteller von Smartphones ist es vor allem wichtig, die Abmessungen sowie die Kosten ihrer Produkte zu verringern. Darüber hinaus müssen Smartphones zusätzlich zu den Mobilfunkprotokollen mehrere Wireless-Protokolle unterstützen: Classic Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Wi-Fi (2,4 und 5 GHz), Satellitennavigation und eventuell NFC. Statt mehreren diskreten Funkeinheiten, die möglicherweise von unterschiedlichen Herstellern stammen, können Entwickler mit einer Multi-Funklösung die Abmessungen sowie die Kosten und die Komplexität ihres Funksystems, aber auch den Testaufwand, verringern und somit kleinere und preiswertere Smartphones fertigen. Multi-Funkmodule können ferner auch andere Funktionen und Schaltungen wie etwa rauscharme Verstärker (LNA), Antennenanpassungskomponenten, Oszillatoren oder Quarze enthalten.

Da die meisten Multi-Funklösungen eine gemeinsame Antennenschnittstelle enthalten, sind für ein System weniger Komponenten, etwa zur Antennenanpassung, erforderlich. Manche Multi-Funklösungen verfügen sogar über eine integrierte Antenne, die entweder als Primär-Radiator oder als Backup dient, wenn eine externe Antenne beschädigt beziehungsweise die Verbindung zu ihr unterbrochen wird, und sparen damit weiteren Platz auf der Leiterplatte. Denn mit steigender Anzahl an Komponenten auf einer Leiterplatte erhöhen sich die Komplexität sowie die Kosten.

Ein Funkmodul für viele Anwendungen

Aufgrund der Kosteneinsparungen durch Multi-Funklösungen ist es wirtschaftlich sinnvoll, dieses Konzept für ein ganzes Produktspektrum zu verwenden, selbst wenn einzelne Produkte nur eines der verfügbaren Wireless-Protokolle nutzen. Zum Beispiel möchte ein Hersteller vielleicht nur Bluetooth- oder Wi-Fi-Versionen eines Produkts anbieten statt einer Variante, die für beide Übertragungsstandards ausgelegt ist.

Bild 2: Bluetooth Classic, Bluetooth Low Energy, Wi-Fi und Mobilfunk sind nur einige der Funktechnologien, die Connectivity im Internet der Dinge ermöglichen. U-Blox

Besonders nützlich ist dieser Ansatz für ein Produktspektrum, dessen einzelne Versionen auf einer einheitlichen Architektur und eventuell auch auf einer einheitlichen Hauptplatine basieren. Auch wenn eine der Produktvarianten nur eine der Wireless-Technologien nutzt, lässt sich mit diesem Ansatz der Implementierungs- und Wartungsaufwand für die gesamte Produktpalette auf ein Minimum reduzieren.

Häufig ist es erforderlich, dass sich zwei Wireless-Geräte automatisch verbinden, wenn sie in Reichweite zueinander kommen. In manchen Fällen dient eine Funktechnologie für „Device Service Discovery“ und eine andere für den Datenaustausch.

Eine Wireless-Technologie, die Multi-Funklösungen häufig verwenden, ist Bluetooth Low Energy. Mit der Funk-Service-Discovery-Funktion ist BLE besonders in Multi-Funkimplementierungen von Vorteil. Das BLE-Protokoll ermöglicht, Benutzer oder Geräte zu erkennen, wenn sich das Signal in der Nähe eines anderen Gerätes befindet und quasi als Proximity Beacon fungiert. Nach der Erkennung kann mit einer zweiten Funktechnologie der Datenaustausch erfolgen.

Zum Beispiel können in einer Einzelhandelsumgebung Bluetooth-Low-Energy-Signale einem Handheld-Bezahlterminal das Vorhandensein des nächsten Quittungsdruckers anzeigen (Bild 1). Verbindungsaufbau und Datentransfer können über Classic Bluetooth oder Wi-Fi erfolgen.

Koexistenz von Funksystemen

In manchen Systemen müssen Wireless-Technologien gleichzeitig arbeiten, was Störsignale verursachen kann. Dies führt zu einer höheren Latenz, da Paket Traffic Arbitration (PTA) erfolgen muss. Dies soll verhindern, dass das System Daten gleichzeitig überträgt und empfängt oder sogar Daten verloren gehen. In kritischen Industrie- und Medizinanwendungen sind diese Einflüsse nicht tragbar. Für einen störungsfreien Betrieb dürfen sich unterschiedliche Wireless-Technologien nicht gegenseitig beeinträchtigen.

Weniger Aufwand für die Typengenehmigung

Die Implementierung mehrerer Single-Funklösungen in ein Produkt erfordert zusätzliche Prüfungen und Tests der entsprechenden Behörden. Selbst wenn für ein einzelnes Wireless-Modul die behördliche Genehmigung vorliegt, sind zusätzliche Tests und Berichte erforderlich, falls eine Erweiterung des Geräts um zusätzliche Funkmodule ansteht. Dies wiederum verlängert die Entwicklungszeit und erhöht die Entwicklungskosten sowie die Kosten für Testeinrichtungen. Mit einem Standalone-Multi-Funkmodul lässt sich diese Problematik umgehen.

Multi-Funklösungen für Gateways

Ein Wireless-Gateway ist ein Netzwerkgerät, das Datenpakete von einem Wireless-Gerät zum Netzwerk weiterleitet. Gateways können die Funktionen eines Wireless Access Points und Routers in sich vereinen und verfügen häufig auch über Firewall-Funktionen. Ein Gateway kann auch als Protokollwandler für die Geräte der installierten Basis fungieren, die gewandelten Daten in das Netzwerk übertragen (Upstream) und dabei die neuen Internet-Datenformate einschließlich RESTFul, XMPP und MQTT verwenden.

Multi-Funklösungen eignen sich besonders, wenn verschiedene Wireless-Technologien erforderlich sind, um eine Verbindung zwischen Geräten in einer Gateway-Konfiguration herzustellen. Eine Funktechnologie dient zur Kommunikation mit nachgeschalteten Sensoren und Betätigern (Downstream). Über eine zweite Funkstrecke erfolgt die Kommunikation mit vorhandenen Netzwerken (Upstream).

Anwendungsbeispiel aus der Medizin

Bild 3: Ein Handheld-Scanner kann über das Bluetooth-Low-Energy-Protokoll sicherstellen, dass zum Beispiel eine Insulinpumpe mit dem richtigen Patienten verbunden ist und das richtige Medikament verabreicht. U-Blox

Verdeutlichen lässt sich dies am Beispiel eines Medizingeräts wie etwa einer Infusionspumpe (Bild 2). Ein Handheld-Scanner kann über das Bluetooth-Low-Energy-Protokoll sicherstellen, dass die Pumpe mit dem richtigen Patienten verbunden ist und das richtige Medikament verabreicht. Diese Verbindung übermittelt nur wenige Daten. In derselben Pumpe lässt sich jedoch mit einem Wi-Fi-Link eine Verbindung mit höherer Bandbreite aufbauen, um über ein Krankenhausnetzwerk kontinuierlich Überwachungsdaten zu senden.

Die Verwendung unterschiedlicher Technologien für den Datenverkehr aus dem Netz zum einzelnen Teilnehmer (Downstream) und von Teilnehmern ins Netzwerk (Upstream) ist ebenfalls von Vorteil, wenn mehrere batteriebetriebene Sensoren energiesparende Wireless-Kommunikation benötigen und eine Upstream-Anbindung an vorhandene Infrastruktur gewünscht ist, eventuell über Wi-Fi. So kann zum Beispiel die Verbindung zu Sensoren im Downstream-Bereich über Bluetooth Low Energy erfolgen. Die Sensordaten lassen sich dann Upstream per Wi-Fi übertragen. Mit derselben Technologie lässt sich die geografische Abdeckung über den Wi-Fi-Upstream-Link als Repeater erweitern. In diesem Fall verbindet Wi-Fi mehrere BLE-Gateways miteinander, um eine größere Abdeckung zu erzielen.

Multi-Funkmodul für IoT-Anwendungen

Ein geeignetes Multi-Funkmodul für die beschriebenen Anwendungsarten ist das Odin-W262 von U-Blox. Das 14,8 x 22,3 x 4,5 mm³ große Modul unterstützt mehrere simultane Links über Wi-Fi (2,4 und 5 GHz), klassisches Bluetooth und Bluetooth Low Energy und sorgt so für Flexibilität bei der Produktentwicklung. Es lässt sich mit AT-Befehlen für individuelle Anwendungen konfigurieren, entspricht den Funkvorschriften aller Länder und verfügt über eine eingebaute Antenne, um eine Erweiterung mit Multiprotokoll-Wireless-Connectivity zu einem beliebigen Produkt schnell und einfach zu realisieren.

Als mit der Bluetooth-Kernspezifikation ein Standardinstrument hinzukam, um einen Datenkanal für IPv6 zu schaffen, war der Grundstein für künftige IP-Connectivity gelegt. Angesichts der schnellen Marktakzeptanz von Bluetooth Smart (Bluetooth Low Energy) und der Ergänzung mit IP-Connectivity deutet alles darauf hin, dass Bluetooth einer der grundlegenden Wireless-Links im Internet der Dinge ist. Mit den jüngsten Ergänzungen zum Standard können Smart-Sensoren mit Bluetooth-Schnittstelle das moderne Protokoll IPv6 verwenden. Damit haben Entwickler und OEMs die notwendige Flexibilität, um für Geräte-Connectivity und Kompatibilität zu sorgen.