Niedrigenergie-Komponenten für IoT-Anwendungen

Bild 1: Für eine energieeffiziente und direkte Verbindung zwischen Anwendung und Internet bietet Microchip diverse Low-Power-MCUs und BLE-Lösungen. Microchip

Im stetig wachsenden Internet der Dinge (IoT) sind auch Haushaltsgeräte eine Möglichkeit, mit der Kunden ihre Kosten und Zeit einteilen und Hersteller neue Umsätze und Dienstleistungsangebote generieren können. Entwickler können ihre Produkte mit Sensoren ausstatten, um die Nutzung und den Energieverbrauch zu überwachen; schlanke Benutzeroberflächen hinzufügen, um Verbrauchsdaten anzuzeigen, und zeitgerechte Dienste sowie exklusive Angebote bereitstellen.

Mit dem erwarteten Anstieg von IoT-Anwendungen, der um ein Vielfaches größer sein wird als bei Smartphones, müssen Milliarden „Dinge“ mit Strom versorgt werden. Entwickler müssen die derzeitigen Stromverbrauchswerte senken oder zumindest halten, um staatliche Vorschriften einzuhalten, und trotzdem IoT-Funktionalität hinzufügen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind extrem stromsparende Mikrocontroller (MCUs) und Bluetooth-Smart-Funksysteme erforderlich. Sie bieten eine flexible und kostengünstige Lösung, um Objekte mit den Außengrenzen (Edge) des IoT zu verbinden. Was macht ein stromsparendes IoT-System eigentlich aus?

Definition des IoT

Es gibt viele Interpretationen des IoT, oft abhängig davon, welcher Teil des Marktes bedient werden soll. Aber eine Definition in Wikipedia bietet eine sehr gute Zusammenfassung des Konzepts:

Das Internet der Dinge (IoT) ist die Verbindung von eindeutig identifizierbaren Embedded-Computing-Systemen innerhalb der bestehenden Internet-Infrastruktur. Das IoT soll fortschrittliche Datenanbindung für Geräte, Systeme und Dienstleistungen bereitstellen, die über die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) hinausgeht und eine Vielzahl von Protokollen, Domänen und Anwendungen abdeckt.

Bezieht man diese Definition auf Geräte, ist ein IoT-Gerät eindeutig identifizierbar, bietet fortschrittliche Datenanbindung wie Bluetooth Smart oder Wi-Fi und lässt sich an die bestehende Internet-Infrastruktur anschließen.

IoT-fähige Dienste

Die Anbindung von Geräten an das Internet läutet einen Paradigmenwechsel für Verbraucher und Hersteller ein. Für Verbraucher bietet sich ein Mehrwert hinsichtlich Kostenkontrolle und Zeitmanagement. Für Hersteller bietet sich ein Mehrwert hinsichtlich der Überwachung der Geräte-Leistungsfähigkeit, der proaktiven Lösung von Wartungsproblemen und der Bereitstellung neuer Angebote. Die folgende Übersicht zeigt jeweils die Top-5-Beispiele neuer IoT-Dienste für Verbraucher und Hersteller.

Smartphones als persönlicher IoT-Zugang

Smartphones, stromsparende MCUs und Bluetooth-Smart-Funksysteme (BLE) bieten Herstellern die einfachste Art, IoT-Funktionen in Produkte zu integrieren. Heutige Smartphones mit integriertem BLE bieten einen direkten Zugang zum Internet und vereinfachen dabei das Pairing (erstmalige Verbindungsaufnahme zwischen Bluetooth-Geräten). Eine Smartphone-App kann die Benutzerführung steuern und den Datentransfer zum und vom Gerät verwalten. Wi-Fi ist eine weitere Möglichkeit, Geräte IoT-fähig zu machen, die einen konstanten Kanal zur Übertragung von Sensordaten benötigen. Das Pairing kann hier jedoch etwas schwieriger sein.

Bluetooth Smart bietet eine Beacon-Funktion und vereinfacht den Pairing-Prozess. Beacons können mit ihrer Präsenz auf Smartphones werben, sobald sich beide in der Nähe zueinander befinden. Wi-Fi Pairing erfordert hingegen die Betätigung einer Wi-Fi-Direct-Taste am Router, der sich meist in einem anderen Raum befindet.

Der Wert der IoT-Anbindung eines Geräts entsteht durch stromsparende MCUs, die mit einem Bluetooth-Smart-Funksystem abgeglichen werden. Die MCU sammelt Daten vom Sensor, wie beispielsweise den Stromverbrauch oder die Betriebsdauer einer Anwendung, und speichert diese in einem nutzbaren Format. Wird ein Smartphone mit der Anwendung verknüpft, lassen sich die Daten hochladen und entweder übertragen oder anzeigen. Die MCU und das Funksystem sorgen auch für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, indem eine Datenanbindung ohne einen messbar höheren Stromverbrauch erfolgt.

Tabelle 1: Eigenschaften von Bluetooth Classic und Bluetooth Smart (BLE) im Vergleich. Microchip

Bluetooth-Grundlagen

Trotz der Einfachheit dieses Funksystem wollen wir nachfolgend die Komponenten näher erläutern. Bluetooth steht bereits seit einigen Jahren als Funkverbindung für die Datenübertragung zur Verfügung. Viele Menschen besitzen ein Bluetooth Headset für ihr Smartphone und viele Fahrzeuge sind mit Bluetooth für Audio Streaming ausgestattet. Wir sind jedoch an einem Bluetooth-Funksystem interessiert, dass sich für IoT-Anwendungen eignet: Bluetooth Smart. Dieser neue Standard wurde erst vor kurzem von der Bluetooth SIG verabschiedet. Er ermöglicht einen stromsparenden Betrieb, wie er für IoT-Anwendungen erforderlich ist. Tabelle 1 zeigt auf, dass Bluetooth Classic eine höhere Reichweite und einen Datendurchsatz von 2,1 MBit/s bietet. Für Anwendungen mit niedrigen Datenübertragungsraten wie IoT-Anwendungen ist diese hohe Rate nicht erforderlich. Die Vorteile von Bluetooth Smart sind der schnelle Verbindungsaufbau, die Anpassung der Datenübertragungsrate an die Anforderungen der IoT-Anwendung und der geringe Stromverbrauch.

Bild 2: Aufbau der Bluetooth-Profile in einer medizintechnischen Anwendung. Microchip

Bluetooth Smart wurde speziell für Geräte und Anwendungen an der Außengrenze des IoT entwickelt. Erinnern wir uns an die Wikipedia-Definition eines IoT-Geräts: es muss eindeutig identifizierbar sein. Bluetooth Smart bietet genau diese Funktion. Bild 2 schildert den Aufbau einer medizintechnischen Anwendung auf Basis von Bluetooth Smart.

Der Aufbau in Bild 2 beschreibt das Bluetooth-Blutdruckprofil. Dieses Profil weist bestimmte Dienste auf wie die eigentliche Gerätefunktion und die Blutdruck-Messfunktion.  Das Profil enthält UUID (Uniquely Identifiable Information), in diesem Beispiel den Hersteller, was eine Voraussetzung für das IoT ist. Dies ist nur ein Beispiel, das Teil der Bluetooth Smart GATT oder Generic Attribute Profile ist. Die Profile werden direkt im Bluetooth-Gerät unterstützt (Bild 3). Es gibt Profile für zahlreiche andere Anwendungen, einschließlich eines kundenspezifischen Profils. Dieses eignet sich ideal für Geräte.

Bild 3: Funktionsblockdiagramm des Bluetooth-Smart-Moduls. Microchip

Bluetooth Smart spart Strom

Neben eindeutig identifizierbaren Attributen eignen sich Bluetooth-Smart-Funksysteme zudem ideal für IoT-Anwendungen, da sie wenig Strom verbrauchen. Das Funksystem verfügt über die Fähigkeit, mit einem Smartphone in Verbindung zu bleiben, ohne eine dauerhafte Verbindung zu erfordern – und da solche Verbindungen Strom benötigen, wird somit Energie eingespart. Dies ist möglich, da das Bluetooth-Funksystem Connect Interval und Slave Latency bietet. Bild 4 zeigt, dass das Connect Interval die Zeitspanne ist, in der der Slave oder die Peripherie Daten an das Smartphone oder „Central“ überträgt, bevor in den Stromsparmodus übergegangen wird. Diese Zeitspanne variiert von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden, wobei die Regelmäßigkeit der Verbindung über die Slave-Latenz bestimmt wird. Werden diese Parameter kombiniert, lassen sich Daten regelmäßig alle 7,5 ms übertragen oder unregelmäßig alle 33 min, um maximale Energieeffizienz zu erzielen.

Bild 4: Kommunikationsperioden eines Bluetooth-Smart-Funksystems. Microchip

Funktionen stromsparender MCUs

Die andere Hälfte des Energieverbrauchs entfällt auf die MCU. Der Stromverbrauch wird vor allem durch den Power-Modus und die Taktfrequenz bestimmt.

Viele der neuen Low-Power-MCUs bieten verschiedene Power-Modi wie Run, Doze, Idle, Low Voltage Sleep und Deep Sleep, die sich per Software konfigurieren lassen. Jeder dieser Modi weist besondere Eigenschaften bezüglich der Stromaufnahme auf. So bietet die PIC-MCU Doze- und Low-Voltage-Sleep-Modi. Im Doze-Modus kann die MCU Code bei niedrigerer Taktrate abarbeiten als die integrierte Peripherie. Damit verringert sich die Stromaufnahme, wobei wichtige Peripherie wie der UART aber immer noch imstande ist, mit einer angemessenen Baud-Rate zu übertragen. Low Voltage Sleep schaltet den integrierten Leistungsregler ab und betreibt einen Regler mit geringer Stromaufnahme. Der Zustand der MCU bleibt dabei erhalten – und das mit einem Strom von nur wenigen Hundert Nanomapere. Ein Übergang vom laufenden Betrieb in den Low-Voltage-Sleep-Modus verringert die Stromaufnahme um 99,9 %.

Low-Power-MCUs bieten auch eine sofortige (on-the-fly) Taktumschaltung. Dabei ändert sich die Taktfrequenz je nach Aufgabe. Werden rechenintensive Filteralgorithmen mit Sensordaten ausgeführt, steht die volle Taktfrequenz bereit. Falls eine einfache Schleife auf einen Interrupt wartet, fährt die Taktfrequenz herunter, um Strom zu sparen. Mit diesen Methoden verringert sich der Stromverbrauch von 5 mA auf 26 µA, was einer Einsparung von 99 % entspricht. Als Fazit gilt also: Low-Power-MCUs helfen Energie zu sparen.

Anwendungen an der IoT-Außengrenze

Für zahlreiche Anwendungen lohnt sich damit der Betrieb an der Außengrenze (Edge) des IoT. Durch die integrierten Funktionen von Low-Power-MCUs und Bluetooth-Funksystemen ist es nun möglich, eine Verbindung von einer Anwendung zum IoT zu schaffen, die den Energieeffizienzanforderungen entspricht. Diese Verbindung erlaubt das Sammeln, Verarbeiten und Übertragen von Daten auf Smartphones auf eine Art und Weise, wie sie vor ein paar Jahren noch nicht möglich war.

Da Smartphones immer noch eine Hauptrolle im modernen Alltag spielen, bieten sie einen direkten Pfad zu wertschöpfenden Anwendungen. Verbraucher schätzen eine Datenanbindung, da sie damit ihre täglichen Aufgaben mit nur einem Gerät, das immer in der Nähe ist, erledigen können. Hersteller profitieren ebenfalls von dieser Datenanbindung, da sie Einblick in die Leistungsfähigkeit und Nutzung ihrer Produkte erlangen. Sie können damit Marketing-Maßnahmen und Techniken nutzen, um die Kosten im Laufe der Lebensdauer zu begrenzen, und Umsätze generieren. Zudem erhalten sie Einblick für die Entwicklung kommender Anwendungen und Geräte.

Das IoT ist bereits vorhanden und bietet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Man muss die Chance nur nutzen.

(jwa)