Bild 1: Die Wireless-MCU CC1350 von Texas Instruments ermöglicht sowohl Bluetooth- als auch Sub-Gigahertz-Verbindungen.

Bild 1: Die Wireless-MCU CC1350 von Texas Instruments ermöglicht sowohl Bluetooth- als auch Sub-Gigahertz-Verbindungen. Texas Instruments

Bei vielen drahtlos kommunizierenden Produkten im Sub-Gigahertz Bereich hat die Übertragungsdistanz weit mehr Bedeutung als die Übertragungsrate. Beispiele sind Smart Meter, Sensoren in einem Alarmsystem oder Temperaturfühler in Home-Automation-Systemen. In solchen Anwendungen bieten die unter 1 GHz angesiedelten ISM-Bänder (Industrial, Scientific, Medical) mit 433, 868 und 915 MHz deutlich mehr Reichweite als eine Lösung mit 2,4 GHz, was hauptsächlich an den physikalischen Ausbreitungseigenschaften der niedrigeren Frequenzen liegt. Bei einer Antenne von gleicher Leistungsfähigkeit verdoppelt sich gemäß der Theorie die Reichweite im freien Raum, wenn die Frequenz halbiert wird. Wichtig ist ebenfalls die Fähigkeit der größeren Wellenlängen, Wände zu durchdringen und sich um Ecken herum auszubreiten. Auch die niedrigere Datenrate spielt eine Rolle, da die Empfänger-Empfindlichkeit in engem Zusammenhang mit der Datenrate steht. Eine Faustregel besagt, dass sich die Reichweite im freien Raum verdoppelt, wenn man die Datenrate auf ein Viertel reduziert. Wegen des geringen Tastverhältnisses, das gemäß den Sub-Gigahertz-Vorschriften zulässig ist, gibt es bei Sub-Gigahertz-Lösungen mit geringer Datenrate schließlich auch weniger Probleme mit Störungen als bei Lösungen im 2,4-GHz-Band (hauptsächlich durch Wi-Fi bedingt).

Die geringere Übertragungsfrequenz hilft außerdem bei der Einhaltung eines geringen Stromverbrauchs. Abgesehen von einer längeren Batterielebensdauer ermöglicht der geringere Maximal-Stromverbrauch auch kompaktere, aus Knopfzellen versorgte Lösungen. Eine Herausforderung kann es dagegen sein, die Daten vom Sub-Gigahertz-System in die smarten Geräte zu bekommen, denn diese sind meist nicht mit Sub-Gigahertz-Kommunikationsfunktionen für das ISM-Band ausgestattet. Aus diesem Grund ist Bluetooth Low Energy hier der Standard der Wahl, und ein Dual-Band-Mikrocontroller (MCU) kann als Brücke zwischen beiden Kommunikationsbändern fungieren. Mit der Simple Link Dual-Band Wireless MCU CC1350 ist die Kombination von Sub-Gigahertz und Bluetooth Low Energy jetzt möglich. Mit einer Stromaufnahme von nur 15 mA, die eine Knopfzelle vor keine Probleme stellt, erreicht der CC1350 eine Sendeleistung von +10 dBm. Bei niedrigen Datenraten ist eine Übertragungsdistanz von 20 km möglich (mit direkter Sichtverbindung und erhöht angeordnetem Sender). Der Empfänger nimmt dabei nur 5,4 mA aus einer 3,6-V-Lithiumbatterie auf.

ECK-DATEN

An einem einzigen Tag kommuniziert eine einzige Person über verschiedene Funk-Protokolle und Standards unter Umständen mit mehr als 100 vernetzten Dingen. Nach dem heutigen Stand gibt es nur wenige Überschneidungen, wenn man sich mit der häuslichen Alarmanlage, dem Auto oder dem Büro verbinden will. Schwieriger wird es, wenn ein Wechsel zwischen drahtlosen und separaten Netzen gewünscht wird.

Probleme mit Sub-Gigahertz-Bändern

Bild 2: Blockschaltung der Wireless-MCU CC1350.

Bild 2: Blockschaltung der Wireless-MCU CC1350. Texas Instruments

Die Vorteile, die das Sub-Gigahertz-Band in Sachen Reichweite und Stromverbrauch bietet, leuchten ein, aber selbstverständlich hat die Technik auch gewisse Nachteile. Zum Beispiel bietet das Smartphone – immerhin eines unserer wichtigsten täglich gebrauchten Werkzeuge – keine Unterstützung für Sub-Gigahertz-Bänder. Genau genommen unterstützt es zwar die ebenfalls unter 1 GHz angesiedelten lizenzierten Bänder von GPRS, 3G und LTE, aber eben nicht die Sub-Gigahertz-ISM-Bänder. Die Tatsache, dass alle auf dem Markt angebotenen Smartphones standardmäßig mit Wi-Fi- und Bluetooth-Funktionen ausgestattet sind, verleiht diesen Techniken einen echten Vorteil. Eine offensichtliche Lösung wäre die Kombination der besten Eigenschaften zweier Welten: Sub-Gigahertz für große Reichweite und geringe Leistungsaufnahme, kombiniert mit einer 2,4-GHz-Lösung auf der Basis von Bluetooth Low Energy zur Verbindung mit dem Smartphone, Tablet oder PC. Der Wireless-Mikrocontroller CC1350 von Texas Instruments (TI) ist ein HF-IC, das diese Fähigkeit bietet. Als Single-Chip-Lösung enthält der CC1350 einen hocheffizienten ARM Cortex-M3-Mikrocontroller, einen stromsparenden Sensor-Controller und einen ebenfalls verlustleistungsarmen Dual-Band-HF-Transceiver.

Die Simple Link Dual-Band Wireless MCU CC1350

Die Wireless-MCU CC1350 ist eine echte Single-Chip-Lösung mit einem extrem kleinen Leiterplatten-Footprint von 4 mm × 4 mm (im QFN-Gehäuse). Werden mehr I/O-Leitungen benötigt, gibt es alternativ eine 7 mm × 7 mm große QFN-Version mit 30 I/Os (Bild 2).

Der ARM Cortex-M3-Applikationsprozessor besitzt 128 KByte Flash-Speicher, 20 KByte Ultra-Low Power SRAM und 8 KByte SRAM (letzterer dient als Cache, kann aber ebenso als regulärer SRAM-Speicher genutzt werden). Der HF-Core enthält ein HF-Front-End, das die wichtigsten Sub-Gigahertz-Bänder (315, 433, 470, 868 und 915 MHz) sowie 2,4 GHz unterstützt. Bestandteil des Funk-Cores ist auch ein sehr flexibles, softwarekonfigurierbares Modem für Datenraten von wenigen hundert Bit pro Sekunde bis 4 Mbit/s sowie mit Unterstützung für mehrere Modulationsformate – vom einfachen OOK (On-Off Keying) bis (G)FSK, (G)MSK, 4-(G)FSK und Shaped 8-FSK. Der Hauptvorteil des flexiblen Funk-Cores liegt in der Eignung für die Vielzahl existierender Sub-Gigahertz-Lösungen auf dem heutigen Markt sowie in der Unterstützung von Abwandlungen bestehender Standards. Kennzeichnend hierfür ist die Tatsache, dass der CC1350 – nur mit Firmware-Upgrades – Unterstützung für den neuen Long-Range-Modus und den neuen High-Speed-Modus bietet, der schon im Juni 2016 von der Bluetooth SIG für Bluetooth 5.0 angekündigt wurde.

Der ARM-Cortex-M0-Core des HF-Cores verarbeitet vorprogrammierte ROM-Funktionen zur Unterstützung der elementaren Bluetooth- und proprietären HF-Lösungen. Der Haupt-Applikationsprozessor (ARM Cortex-M3) wird hierdurch in erheblichem Maße von zeitkritischen Aufgaben entlastet.

Das Stromversorgungssystem enthält einen Gleichspannungswandler, der in allen Betriebsarten (einschließlich des Standby-Modus) aktiv ist und für einen stromsparenden Betrieb sowie gleichbleibende Performance (Funkreichweite) auch bei abfallender Batteriespannung sorgt.

Das ROM der Wireless-MCU CC1350

Der Simple Link CC1350 enthält mehr als 200 KByte ROM, in dem Bibliotheken für die folgenden Funktionen abgelegt sind:

·                    TI-RTOS (Real-Time Operating System),

·                    Bibliotheken mit maschinennahen Treibern (SPI, UART und ähnliches),

·                    Security-Funktionen,

·                    Maschinennahe und einige übergeordnete Bluetooth-Stackfunktionen.

Der Code im ROM kann übrigens durch Funktionen im Flash- oder RAM-Speicher gepatcht oder repariert werden.

Extrem geringer Stromverbrauch

Die Wireless-MCUs CC1350 und CC1310 (nur für Sub-Gigahertz-Betrieb) zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch in allen Betriebsarten aus. Dies gilt für den Funk-Teil und den Mikrocontroller.

Der Sensor-Controller

Bild 3: Bildschirmdarstellung des TI-Tools Sensor Controller Studio.

Bild 3: Bildschirmdarstellung des TI-Tools Sensor Controller Studio. Texas Instruments

Beim Sensor-Controller handelt es sich um eine native, kleine und für geringen Stromverbrauch optimierte 16-Bit-MCU, die in den CC13xx-Bausteinen enthalten ist und auf sehr stromsparende Weise die analogen und digitalen Sensoren verwaltet. Die Programmierung beziehungsweise Konfiguration erfolgt per Sensor Controller Studio mit vordefinierten Funktionen für die einzelnen Peripherieeinheiten (Bild 3). Das Tool bietet ferner Beispielsoftware für gängige Sensorlösungen wie etwa das Auslesen von ADCs (Streaming-, Logging- und Window-Compare-Funktionen) sowie I²C/SPI für digitale Sensoren. Auch für kapazitive Berührungstasten ist der Sensor-Controller geeignet.

Softwareangebot und Benutzerfreundlichkeit

Mit der Bluetooth Low Energy Wireless MCU CC2540 bot TI einen der ersten zertifizierten Bluetooth Low Energy Softwarestacks an. Der Stack wurde inzwischen weiterentwickelt, um die 2015 eingeführte Simple Link CC26xx-Plattform zu unterstützen. Inzwischen gibt es ihn auch für den CC1350 mit sämtlichen Features des Standards Bluetooth 4.2 – von einfachen Beacons bis zu einem vollständig vernetzbaren Stack. Sämtliche HF-Stacks von TI nutzen das kostenlose Echtzeit-Betriebssystem TI-RTOS. TI-RTOS wird gemäß der 3-Clause-BSD-Lizenz verbreitet, sodass der Quellcode in vollem Umfang verfügbar ist. Um die Komplexität der Applikationsentwicklung weiter zu reduzieren und den Kunden die Möglichkeit zu geben, sich rein auf die Applikationsentwicklung zu konzentrieren, gibt es von TI einen umfangreichen Bestand an Peripherie-Treibern, unter anderem mit einem performance-optimierten HF-Treiber. Das TI-RTOS der Software Development Kits (SDKs) für CC13xx und CC26xx enthält eine Vielzahl von Getting-Started-Beispielen, die die Performance-optimierte Nutzung der verschiedenen Treiber demonstrieren sollen und eine hervorragende Ausgangsbasis für die Entwicklung eigener Systeme darstellen. Um losgelöst von bisherigen Produkten neue Lösungen zu entwickeln, empfiehlt sich der 15.4-Stack von TI. Es handelt sich dabei um die TI-spezifische Implementierung der Normen IEEE 802.15.4g/e für sternförmige Netzwerke. Der Stack wird kostenlos in zwei Versionen angeboten:

·         Optimierte Version für die europäischen Funk-Vorschriften (ETSI) mit Frequenz-Agilität und LBT (Listen Before Talk),

·         Optimierte Version für die US-amerikanischen Funk-Vorschriften (FCC) mit Frequency Hopping im Interesse maximaler Ausgangsleistung.

Anwendungsfälle für Sub-Gigahertz und Bluetooth Low Energy

Die Tatsache, dass die Wireless-MCU CC1350 in einem Baustein Unterstützung für Sub-Gigahertz und Bluetooth Low Energy bietet, erschließt eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige nachfolgend beschrieben werden.

Installation, Kommissionierung, Wartung und Diagnose

Bild 4: Inbetriebnahme über Bluetooth durch vollständig vernetzbaren Stack und Sub-Gigahertz-Software, TI 15.4-Stack oder eine bestehende Sub-Gigahertz-Lösung.

Bild 4: Inbetriebnahme über Bluetooth durch vollständig vernetzbaren Stack und Sub-Gigahertz-Software, TI 15.4-Stack oder eine bestehende Sub-Gigahertz-Lösung. Texas Instruments

Während der Installation und Kommissionierung kann die große Reichweite der Sub-Gigahertz-Technik ein Nachteil sein, denn während der Installation möchte man nur die von ausgewählten Geräte in einem Netzwerk verbinden, nicht aber Knoten beispielsweise eines Nachbarn, der zufällig das gleiche Produkt installiert hat. Die Verwendung eines Smartphones mit geringerer Reichweite (gleichzeitig aber mit deutlich höherer Datenrate), einer Bluetooth-Verbindung sowie einem großen Display macht das Installieren der Geräte deutlich einfacher (Bild 4). Ein Smartphone mit Internetanschluss erleichtert auch das Downloaden neuer Software für die Knoten und das Einholen von Diagnoseinformationen. Entsprechende Lösungen lassen sich für den Einbau durch Heimwerker oder Profis konzipieren. Dazu diese Beispiele:

·         Angenommen, Sie kaufen einen Satz mit zwei vorkommissionierten Rauchmeldern, die über ein Sub-Gigahertz-Netzwerk miteinander vernetzt sind, und stellen anschließend fest, dass Sie ein weiteres Gerät zu diesem Netzwerk hinzufügen müssen.

·         Als weiteres Beispiel ist die von Konsumenten oder Fachleuten durchgeführte Installation eines Einbruchalarm- oder Home-Automation-Systems anzuführen.

Firmware-Updates

Um über die gesamte Lebensdauer eines vernetzten Produkts hinweg für optimale Performance zu bürgen, haben Over-the-Air-Updates (OTA) große Bedeutung. Durch Firmware-Updates lässt sich ein bereits in Kundenhand befindliches Gerät überdies mit neuen Features ausstatten.

Bild 5: Bluetooth Firmware-Update über vollständig vernetzbaren Stack mit Sub-Gigahertz-Software: TI 15.4-Stack oder eine bestehende Sub-Gigahertz-Lösung.

Bild 5: Bluetooth Firmware-Update über vollständig vernetzbaren Stack mit Sub-Gigahertz-Software: TI 15.4-Stack oder eine bestehende Sub-Gigahertz-Lösung. Texas Instruments

Mithilfe der von Bluetooth Low Energy gebotenen höheren Datenraten sind Firmware-Updates außerdem deutlich schneller durchführbar. Ein System kann aus Geräten bestehen, deren Firmware-Updates per Sub-Gigahertz oder Bluetooth Low Energy erfolgen können, sodass dem Anwender hier viel Flexibilität geboten wird. Zum Beispiel kann Bluetooth Low Energy für OTA-Firmwareupdates genutzt werden, wenn ein Gerät per Sub-Gigahertz die Anweisung zum Wechsel in den Bluetooth Low Energy-Modus bekommt (Bild 5). Daraufhin nimmt der Anwender per Bluetooth Low Energy Verbindung zu dem Gerät auf, woraufhin über die Bluetooth-Verbindung das neue Firmware-Image übertragen wird. Anschließend erfolgt ein Neustart des Geräts mit dem neu geladenen Firmware-Image.

Nutzung eines Smartphones als abgesetztes Display

Bei Endprodukten sowohl für den privaten als auch für den professionellen Einsatz kommt es auf einfache Bedienung an. Ansprechende Farbdisplays sind nicht nur teuer in der Entwicklung und Anwendung, sondern auch mechanisch wenig stabil und verbrauchen mehr Strom. In vielen Fällen lässt sich die Benutzerschnittstelle entscheidend abspecken, indem man ein Smartphone als Display nutzt oder alternativ ein vorhandenes Produkt mit erweiterten Features ausstattet. Zum Beispiel lässt sich für Funk-Rauchmelder ein Smartphone nutzen, um den Batteriestatus oder die seit dem letzten Alarm verstrichene Zeit anzuzeigen. Im Prinzip kann jedes Sensornetzwerk, in dem es Daten anzuzeigen gibt, davon profitieren, wenn anstelle eines herkömmlichen LCD ein Smartphone als abgesetztes Display genutzt wird (Bild 6).

Bild 6: Remote Display Lösung über Beacons (kein Bluetooth Low Energy-Stack erforderlich); Sub-Gigahertz-Software mit TI 15.4-Stack oder bestehende Sub-Gigahertz-Lösung.

Bild 6: Remote Display Lösung über Beacons (kein Bluetooth Low Energy-Stack erforderlich); Sub-Gigahertz-Software mit TI 15.4-Stack oder bestehende Sub-Gigahertz-Lösung. Texas Instruments

Payload-Management für Bluetooth Low Energy-Beacons

Ein gravierender Vorteil von Sub-Gigahertz ist die größere Reichweite bei gleicher Ausgangsleistung. Wenn ein umfangreicher Bestand an Bluetooth Low Energy-Beacons mit neuen Payload-Informationen aktualisiert werden muss, kann es übermäßig viel Aufwand verursachen, wenn man sich hierfür eigens zu jedem Beacon begeben muss. Hier lässt sich die Sub-Gigahertz-Verbindung nutzen, um mit dem Beacon Kontakt aufzunehmen und die neuen Bluetooth Low Energy-Payloadinformationen zuzustellen. Hierzu folgen im kommenden Abschnitt ein paar Anwendungsbeispiele.

Google Physical Web

Das Konzept von Google Physical Web sieht die Verwendung von Beacons zur Aussendung einer einfachen URL vor, die sich in einem konventionellen Web-Browser öffnen lässt. Dies hat den klaren Vorteil einer einfachen Anwendung: es wird keine spezielle App benötigt, sondern man muss lediglich eine Webseite einrichten, auf die der Bluetooth-Beacon verweist. Die Sub-Gigahertz-Verbindung dient zur Verwaltung des Beacons (also hauptsächlich zum Ändern des Web-Links).

Google Physical Web verwendet die als Open Source verfügbare Eddystone-Spezifikation für das Frame-Format der Bluetooth Low Energy-Beacons. Es stehen verschiedene Frame-Formate zur Wahl:

·         URL – Broadcast einer Standard-URL,

·         TLM – Type Length Message für das Broadcasting von Sensordaten wie etwa Batteriestatus, Zeit seit dem letzten Reboot und so weiter,

·         UDI – der Unique Device Identifier ist für Proximity-Anwendungsfälle vorgesehen.

Ein Beispiel wäre ein Kino, das mit Bluetooth-Beacons an verschiedenen Stellen im Gebäude den nächsten Film ankündigt. Die Sub-Gigahertz-Verbindung dient zum Aktualisieren des digitalen Filmplakats für jeden neuen Film.

Proprietäre Beacons

Wenn keine Interoperabilität mit anderen Applikationen benötigt wird, kann man sein eigenes Frame-Format für Bluetooth Low Energy-Beacons implementieren. Ein Beispiel hierfür ist das TI Simple Link SensorTag Kit, in dem ein proprietäres Frame-Format der Interaktion der Geräte mit der Smartphone-App dient.

Starthilfe

Die Out-of-the-Box-Software für die Wireless-MCU CC1350 demonstriert viele der in diesem Beitrag angesprochenen Anwendungsfälle. Das Simple Link Dual-Band CC1350 Wireless MCU Launch Pad Development Kit ist fertig mit dem TI BLE-Stack programmiert, sodass man mit der für iOS und Android verfügbaren Sensor-Tag-App-Verbindung mit dem Gerät aufnehmen kann. Ist die Verbindung aufgebaut, bietet der CC1350 den gleichen Funktionsumfang wie das Simple Link Multi-Standard CC2650 Launch Pad Kit. Mithilfe des eingebauten OTA-Downloads per Bluetooth Low Energy lässt sich der CC1350 durch seine Dual-Mode-Fähigkeiten relativ einfach von Bluetooth Low Energy auf Sub-Gigahertz umrüsten.