SiP-Module für eine vielseitige und kostengünstige IoT-Anbindung

Viele kleine elektronische Geräte machen unsere Alltagsgegenstände intelligenter und binden sie ans Internet der Dinge (IoT) an. Dabei eingesetzte Sensoren, Prozessoren und Kommunikationsmodule sind zunehmend kleiner und beinhalten immer mehr Funktionen. Winzige SiP-Module (System-in-Package) integrieren von Sensoren bis zur Antenne die gesamte Signalverarbeitungskette, sind energieeffizient, kostengünstig herzustellen und kürzen den Entwicklungsaufwand wie auch die Markteinführungszeit ab (Bild 1).

Vom IoT profitieren

Bild 1: SiP-Module stellen im rasant wachsenden IoT-Netzwerk eine effiziente, einfach zu handhabende und kostengünstige drahtlose Konnektivitätslösung dar. Simos Elektronik

Im Gesundheitssektor steigert die Vernetzung von Geräten und Prozessen im Krankenhaus erheblich die Effizienz der Behandlung und Pflege. Eine automatische Erfassung und Auswertung der Gesundheitsdaten von Patienten, unabhängig vom jeweiligen Aufenthaltsort, gibt dem medizinischen Personal die Möglichkeit aktiv einzugreifen, wenn sich der Gesundheitszustand tatsächlich verschlechtert.

Durch die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander gestaltet sich der Verkehr effizienter und vor allem sicherer. Autos können sich gegenseitig vor Staus warnen, ihren Standort und die geplante Route an Leitsysteme melden, die wiederum den Verkehr effizienter managen. Das Fahrzeug hat über das Infotainment-System Zugriff auf das Smartphones und kann wichtige Meldungen absetzen, umgekehrt wird das Smartphone zum Fahrzeugschlüssel und entriegelt zum Beispiel die Türen oder stellt automatisch die individuelle Sitzposition ein.

Mobile Netzwerke verbinden in Städten intelligente Geräte und generieren so Informationen, welche dann den Stadtverwaltungen und den Bürgern zur Verfügung stehen. So lassen sich Umweltbelastungen reduzieren und die Sicherheit in den Straßen erhöhen. Vernetzte Gebäude unterstützen ein effizienteres Zusammenspiel zwischen Erzeugung und den Verbrauch von Strom und Wärme und steuern zudem Zutrittssysteme als auch die Gebäudebeleuchtung.

In der Fabrik der Zukunft steuern die Produkte über das Internet der Dinge ihre Fertigung selbst und erlauben so eine flexible Produktion. Auch kleinste Stückzahlen lassen sich auf diese Weise bei höchster Produktivität fertigen. Damit diese Produkte schnell und exakt an ihren Bestimmungsort gelangen, erhält jeder Behälter und jede Palette einen digitalen Speicher und ein Kommunikationsmodul. Über diese erhalten die Objekte Zielinformationen und Prioritäten und können einfache Entscheidungen selbstständig treffen und ihren Weg zum Ziel finden.

Kostengünstige Massenfertigung

Smarte Objekte nehmen über Sensoren ihre Umgebung wahr und erfassen beispielsweise Temperaturen, Druck, Bewegungen oder Positionen. MEMS-Sensoren vereinen viele Funktionen in einem kleinen Gehäuse und sind damit prädestiniert für Anwendungen im Internet der Dinge. Perspektivisch lassen sich Sensorelemente direkt auf die Oberfläche smarter Objekte aufdrucken, was die Produktion preiswerter und weniger störanfälliger Messelemente ermöglicht.

IoT-Anwendungen erfordern kostengünstige, stromsparende und gleichzeitig leistungsstarke Prozessoren. Die Halbleiterindustrie hat entsprechende Bausteine auf niedrigen Energiebedarf hin optimiert, sodass diese nur wenige Mikroampere pro Megahertz Rechenleistung aufnehmen. Dank aktueller Fertigungsverfahren liegen die Kosten für derartige Chips im Euro-Cent-Bereich – eine Voraussetzung für die massenhafte Ausrüstung von Alltagsgegenständen, wie sie für das Internet der Dinge erforderlich ist.

Time-to-Market verkürzen

Zur Kommunikation untereinander und mit dem Internet können smarte Objekte unterschiedliche Funkstandards wie NFC (Near-Field-Communication), RFID, Wi-Fi, Bluetooth oder Zigbee nutzen. In Anbetracht dessen, dass Smartphones und Tablets heute die bevorzugten Schnittstellen zwischen den physischen Systemen und dem Menschen sind, bevorzugen immer mehr Hersteller Wi-Fi und Bluetooth. Es entstehen cyber-physische Systeme, die reale Objekte mit der virtuellen Welt verbinden.

Die Hersteller haben darauf reagiert und entsprechende SiP-Module mit diesen Schnittstellen entwickelt. Auch Entwicklungsplattformen, Kits und Boards stehen für einen schnellen Start ins Gerätedesign zur Verfügung. In den verfügbaren Referenzdesigns findet sich ein Mehrwert, der die Markteinführungszeit beschleunigt.

Drahtlos im Short-Range-Bereich

Bild 2: Das ESP-ZERO-Modul enthält eine Dual-Core-MCU mit integriertem Combo-Wi-Fi-BT sowie integrierter Antenne. Simos Elektronik

Das IoT hat neue technologische Horizonte eröffnet. Viele Chip-Hersteller kommen mit eigenen, meist Mikrocontroller-basierten Chipsätzen auf den Markt, deren Programmierung sich oft mühsam gestaltet. Eine einfache Lösung ist ein RF-Interface, bei dem das Modul nur über eine Schnittstelle wie UART, SPI oder I²C zugänglich ist und jeder Code proprietär wird. So kann der Benutzer seine Anwendung in das Modul integrieren und dabei eine hohe Integrationsdichte erreichen.

Ein Beispiel für eine kosteneffiziente Lösung sind die SiP-Module von Espressif Systems, einem in Shanghai ansässigen Unternehmen, das leistungsstarke Chips und Module für drahtlose Konnektivität im Short-Range-Bereich entwickelt und produziert.

Bild 3: ESP-WROOM-32D ist ein leistungsfähiges, generisches MCU-Modul mit Wi-Fi, BT und BLE, und zielt auf Anwendungen von Low-Power-Sensornetzwerken bis hin zu Musik-Codierung oder -Streaming ab. Simos Elektronik

Das Unternehmen bietet eine einfache, schnelle und effiziente Entwicklungsplattform für IoT- Anwendungen. Espressifs hoch integrierten Lösungen lassen sich von Entwicklern unkompliziert in Systeme integrieren. ESP32 ist beispielsweise eine Dual-Core-MCU mit integriertem Combo-Wi-Fi-BT. Die Lösung baut dabei auf das SMP Realtime OS auf, das eine effiziente Nutzung der dualen Architektur erlaubt. Eine optionale Verschlüsselung des SPI-Flash-Inhaltes erhöht dabei die Daten-Sicherheit (Bild 2).

Alles auf einem Chip

ESP32-PICO-D4 ist ein SiP-Modul, welches alle peripheren Komponenten in einem 7 mm × 7 mm großen Chip integriert und WLAN (802.11 b/g/n/e/i, bis zu 150 MBit/s) und Bluetooth (V4.2 BR/EDR/BLE) bietet. Zur Ausstattung gehören außerdem ein Kristall-Oszillator, Flash-Memory, Filterkapazitäten und RF-Anpassungskomponenten. Das Modul verfügt über zahlreiche Schnittstellen (SD-Card, UART, SPI, SDIO, PWM, I²S, I²C, IR) sowie über jeweils einen Temperatur-, Touch- und Hall-Effekt-Sensor.

Beim ESP-WROOM-32 handelt es sich um ein leistungsfähiges, generisches MCU-Modul mit Wi-Fi, BT und BLE, das auf eine Vielzahl von Anwendungen abzielt, von Low-Power-Sensornetzwerken bis hin zu anspruchsvollsten Aufgaben wie Sprachcodierung, Musik-Streaming und MP3-Decodierung (Bild 3). Im Mittelpunkt dieses Moduls steht der skalierbar und adaptiv gestaltete ESP32-D0WDQ6-Chip. Zwei CPU-Kerne lassen sich einzeln steuern, wobei die Taktfrequenz von 80 bis 240 MHz konfigurierbar ist. Der Benutzer kann die CPU deaktivieren und den Low-Power-Coprozessor dazu nutzen, die Peripherie auf Änderungen oder Überschreitung von Schwellenwerten zu überwachen. ESP-WROOM-32 integriert zusätzlich einen reichen Satz von Peripheriegeräten wie rauscharme Verstärker, SD-Kartenschnittstelle, Ethernet, High-Speed-SDIO / -SPI, UART, I²S und I²C. Das Modul besitzt eine interne Antenne und verfügt über alle wesentlichen weltweiten Zulassungen.

Zukunftssicher durch Funkstandards

Bild 4: Das Entwicklungsboard ESP32-DevKitC ist per USB programmierbar und ermöglicht die Verwendung eines Steckbretts oder die Einbettung der SiP-Module in eine individuelle Schaltung. Simos Elektronik

Die Integration von Bluetooth, Bluetooth LE und Wi-Fi sorgt für einen breiten Anwendungsbereich und macht SiP-Module  zukunftssicher: Wi-Fi ermöglicht eine große physikalische Reichweite und eine direkte Verbindung zum Internet durch einen Wi-Fi-Router, während Bluetooth eine Kopplung an ein Telefon ermöglicht. ESP32-Chips nehmen einen Ruhestrom von weniger als 5 µA auf, sodass sie für batteriebetriebene und tragbare Elektronikanwendungen geeignet sind. ESP-WROOM-32 unterstützt Datenraten von bis zu 150 MBit/s und 20,5 dBm Ausgangsleistung an der Antenne, um den breitesten physikalischen Bereich zu gewährleisten.

Für das Systemdesign oder zur Prototypenentwicklung steht ein Entwicklungsboard zur Verfügung (Bild 4). Es verfügt über Reset- und Programmtasten sowie eine USB-Schnittstelle für einfache Programmierung und UART-Kommunikation. Eine große Anzahl an I/O-Pins erlauben es dem Entwickler, das Design durch Verwendung eines Steckbretts oder einer einfachen Zwei-Lagen-Platine zu beschleunigen.

Neben einer IDE und einem Compiler stellt die Entwicklungsumgebung für SiP-Module auch eine Treiberbibliothek für Low-Level-Funktionen und Anwendungsbeispiele zur Verfügung. Diese arbeiten entweder unter Linux, Windows oder Eclipse. Der Großteil der Espressif-Entwicklungen ist als Open Source verfügbar. Eine ausführliche Anleitung (ESP-IDF Programming Guide) beschreibt die Einrichtung der Werkzeugkette und der Umgebung für die API-Referenz sowie Hardware-Details.

(jwa, na)