Stromsparende IoT-Systeme auf modularer Plattform entwickeln

Das Internet der Dinge (IoT)und IoT-Systeme gewinnen durch den technischen Fortschritt in der Sensorik und durch neue Kommunikationsprotokolle weiter an Dynamik. Der multidisziplinäre Charakter des IoT erfordert dabei umfangreiches Wissen, das Organisationen mit begrenzten Ressourcen oder Erfahrungen in der Anbindung ihrer Geräte und Systeme an die Cloud in eine schwierige Startposition versetzen könnte. Die Batterielebensdauer oder Geräteautonomie ist eine weitere Herausforderung, wenn es darum geht, das IoT in verschiedenen Branchen schneller zu implementieren.

Zusammenwirken mehrerer Niedrigenergie-Komponenten

IoT-Knoten am Rand des Netzwerks (Edge), wo eine Datenerfassung und/oder Ansteuerung stattfindet, sind häufig batteriebetrieben. Der Aufwand und die Wartungskosten des häufigen Batteriewechsels sind für viele IoT-Anwendungen inakzeptabel. Knoten, die an entfernten Standorten ihren Dienst tun, verstärken dieses Problem zusätzlich.

Für potenzielle Nutzer und Lösungsanbieter des IoT kommt es daher darauf an, die Datenanbindung zu verstehen, die einen hocheffizienten Betrieb ermöglicht, wie beispielsweise Bluetooth Low Energy (BLE) oder Low Power Wide Area Network (LWAN). Darüber hinaus erübrigen neue batterielose Sensoren wie Smart-Passive-Sensoren, die ein Energy Harvesting aus UHF-Energie betreiben, alle Bedenken rund um die Batterielebensdauer. Sie ermöglichen einen wartungsfreien Betrieb und ermöglichen auch die Überwachung schwer zugänglicher Bereiche.

Wenig Datentransfer am Rande von IoT-Netzwerken

Bluetooth Low Energy (BLE) ist eines der beliebtesten Kommunikationsprotokolle für Anwendungen in den Bereichen Smart Home, Gebäudeautomation, Smart Retail, digitale Gesundheit und andere IoT-Branchen. Da Bluetooth auf fast jedem Smartphone und Tablet zur Verfügung steht und sich die Funktionen des Protokolls erweitern lassen, eignet es sich ideal für den Einsatz am Rand von IoT-Netzwerken.

BLE führte die Idee ein, kleine Datenpakete zu übertragen und dann in einen Sleep-Modus zu wechseln, was den Gesamtleistungsverbrauch erheblich verringert. Diese Betriebsart ist ideal für Sensorknoten, bei denen keine konstanten Datenströme erforderlich sind. Mit einem verbindungslosen Modell, breiteren Kanälen, kürzeren Paketen und einem einfacheren Stack wurde BLE auf Energieeffizienz getrimmt. Um das IoT weiter zu unterstützen, wurden der BLE-Spezifikation neue Netzwerktopologien wie Broadcast, Mesh und mehr Sicherheit einschließlich Man-in-the-Middle-Schutz und AES-128-Verschlüsselung hinzugefügt.

Warum Bluetooth 5 so wichtig für die Bereitstellung von IoT-Funktionen ist, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Energiebewußtes Bluetooth-5-SoC mit DSP-Power

Bild 1: Smart-Passive-Sensoren arbeiten drahtlos und ohne Batterie. ON Semiconductor

Das aktuellste Update (Bluetooth 5) war ein bedeutender Schritt, um IoT-bezogene Funktion und mehr Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Bluetooth 5 erhöht die Spitzenbandbreite auf 2 MBit/s und die Reichweite um das vierfache auf theoretisch 300 m. Für IoT-Anwendungen besonders hervorzuheben ist die Fähigkeit, von Bluetooth 5 als Mesh-Netzwerk konfiguriert zu werden, anstatt einen zentralen Hub zu benötigen – dies erhöht die mögliche Abdeckung und macht das Netzwerk widerstandsfähiger.

Mit seinem niedrigen Stromverbrauch im Sleep- und Empfangsmodus eignet sich der Baustein RSL10, ein Multiprotokoll-Bluetooth-5-zertifiziertes SoC (System-on-Chip) von ON Semiconductor, gut für batteriebetriebene BLE-Anwendungen. Es erzielt mit dem ULP-Mark (Ultra-Low-Power-Mikrocontroller), einem Standard-Benchmark für Embedded-Systeme, 1000+ Punkte (je höher der Wert, desto niedriger der Stromverbrauch). Der Cortex-M3-Core sorgt zusammen mit einem stromsparenden 32-Bit-DSP-Core, einem breiten Eingangsspannungsbereich, Embedded Flash und den geringen Abmessungen RSL10 für umfassende Designflexibilität.

Integrierte IoT-Sensoren mit Energy Harvesting

Die passende Smart-Passive-Sensortechnik für IoT-Systeme erweitert das Konzept des stromsparenden Betriebs und Komforts und ist vollständig kabellos – sowohl für die Datenübertragung als auch für die winzige Menge an Strom, die für den Betrieb erforderlich ist (Bild 1).

Smart-Passive-Sensor-Tags können Umgebungsparameter wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit überwachen, wie sie für viele IoT-Anwendungen erforderlich sind. Die Tags enthalten einen sehr flachen Chip, der den Strom, die Funkanbindung und Sensorik verwaltet, ohne dass ein Mikrocontroller erforderlich ist. Diese Bausteine beziehen ihren Strom über Energy Harvesting aus UHF-HF-Übertragungen. Daher reicht es aus, einfach einen RF-Leser in die Nähe zu bringen, um sie in Betrieb zu nehmen.

Kein Batteriewechsel, keine Entsorgungsprobleme

Bild 2: Smart-Passive-Sensoren ermöglichen für IoT-Systeme einen völlig neuen Ansatz bei der Datenerfassung. ON Semiconductor

Durch ihre geringe Größe können preisgünstige Smart-Passive-Sensor-Tags das IoT revolutionieren, indem sie eine Erfassung in zuvor schwer zugänglichen Bereichen ermöglichen. Sie eignen sich vor allem für Bereiche, in denen der Einsatz und Austausch von Batterien nicht praktikabel ist, wie beispielsweise beim Einbau in Wände oder Böden.

Smart-Passive-Sensor-Tags sind für den medizinischen Einsatz am Patienten völlig sicher und aufgrund ihrer geringen Kosten eignen sie sich auch für serientaugliche Einweg-Anwendungen, etwa bei der Überwachung von Lebensmitteln während des Transports. Da sie keine Batterie benötigen, sinken die Kosten, genauso wie die Umweltbedenken, die mit der Batterientsorgung einhergehen.

Wie die Rapid-Prototyping-Plattform von ON Entwickler unterstützt beschreibt der Artikel im Folgenden.

Unterstützung bei der IoT-Entwicklung

Die Branchen, die das IoT-Konzept umsetzen, verzeichnen eine höhere Effizienz, Kosteneinsparungen und mehr Umsätze. Allerdings befinden sich noch viele Unternehmen und Organisationen, die die potenziellen Vorteile des IoT erkennen, noch weiterhin in Wartestellung. Dies ist auf die steile Lernkurve zurückzuführen, da die Auswahl an Technologien, die zur Bereitstellung einer erfolgreichen IoT-Lösung erforderlich sind, sehr groß ist.

Die jeweiligen Herausforderungen hängen von der Anwendung ab – also sind die richtigen Lösungen für die Datenanbindung, Sensorik, Ansteuerung, das Power Management, die Cloud-Dienste und die Datensicherheit zu finden. Eine Plattform, die es ermöglicht, schnell verschiedene Optionen auszuprobieren, ist daher unerlässlich, um die verschiedenen Funktionsblöcke optimal zusammenzustellen und die Anforderungen abzudecken.

Das IoT ist von Natur aus flexibel, und jedes erfolgreiche Entwicklungstool muss dieser Flexibilität folgen. Entwickler können dann ihre Designs anpassen sowie die Hardware und Software zusammenführen, um die Anforderungen mit einer einzigen, integrierten Entwicklungsumgebung zu erfüllen.

Vielseitig erweiterbare Rapid-Prototyping-Plattform

Das IoT-Development-Kit (IDK), eine modulare Knoten-zu-Cloud Rapid-Prototyping-Plattform für IoT-Systeme von ON Semiconductor, ist flexibel und erleichtert die Entwicklung verschiedenster IoT-Anwendungen. Es bietet mehrere Datenanbindungs-, Sensor- und Ansteuerungsoptionen, die flexibel genug sind, um maßgeschneiderte Lösungen entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Branche bereitzustellen. Das Kit ermöglicht sofort einsatzbereite Device-to-Cloud-Anwendungen und umfasst eine integrierte Entwicklungsumgebung (IDE), mehrere Datenanbindungsoptionen an die Cloud und über 40 Anwendungsbeispiele, auf denen Kunden aufbauen können (Bild 3).

Die Hauptrecheneinheit des IDK ist das NCS36510, ein vollständig integriertes, stromsparendes SoC, das auf einem leistungsstarken 32-Bit Arm Cortex-M3-Prozessor, Speicher und Peripherie basiert.

Bild 3: Das modulare IoT-Development-Kit ist vielseitig erweiterbar. ON Semiconductor

Für eine höhere Funktionsvielfalt lassen sich an der Hauptplatine verschiedene Erweiterungskarten (Shields) anschließen. Für die Datenanbindung stehen Tochterkarten für verschiedene drahtlose und drahtgebundene Kommunikationsprotokolle zur Verfügung, beispielsweise BLE, Wi-Fi, 802.15.4 (Zigbee, Thread), Sigfox, CAN-Bus und Ethernet. Für Sensoren stehen Erweiterungskarten mit Temperatur-, Bewegungs-, Feuchtigkeits-, Umgebungslicht-, Druck- und Biosensoren bereit. Die Ansteuerung lässt sich um Treiber-Shields für Schrittmotoren, bürstenlose Motoren und LEDs ergänzen.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie Details zum Smart-Passive-Sensor-Shield.

Sensoren erweitern IoT-Systeme

Ein Smart-Passive-Sensor-Shield erhöht den Nutzen des IDK und ermöglicht die Datenerfassung batterieloser Funksensoren, um eine komfortable Messung von Temperatur, Feuchtigkeit und Druck am Netzwerkrand zu ermöglichen. Das Kit wurde kürzlich um ein Multisensor-Shield und eine App erweitert. Zusammen mit den zuvor eingeführten IDK-Shields ermöglicht es das schnelle Prototyping verschiedener IoT-Anwendungen, einschließlich vernetzter Wellness-Geräte, industrieller Wearables, Smart-Home-Geräte, Asset-Tracking und viele weitere.

Eine umfassende IDK-Shield-Dokumentation, einschließlich Schaltpläne, Leiterplatten-Layouts und Gerber-Dateien unterstützt den schnellen Übergang von der Konzept- in die Fertigungsphase.

IoT-Lösungen vom Knoten bis zur Cloud schneller realisieren

Das IoT-Systeme bieten Unternehmen die Möglichkeit, den Wert und die Fähigkeiten ihres Produktangebots zu erweitern. Die Fülle der manchmal wenig bekannten Techniken, mit denen erfolgreiche IoT-Implementierungen ausgestattet sind, kann sich insbesondere für neue Marktteilnehmer als schwierig erweisen.

Entwicklungskits und -tools für IoT-Systeme können ein beliebig erweiterbares, hochflexibles Entwicklungs-Ökosystem bereitstellen, von dem sowohl neue als auch erfahrene Entwickler profitieren. Durch die Integration fortschrittlicher stromsparender Techniken (wie BLE und Smart-Passive-Sensoren) in ein intuitives Gesamtpaket, bieten Kits wie das IDK eine risikolose Möglichkeit, die Hardware- und Software-Aspekte von IoT-Lösungen vom Knoten bis zur Cloud schneller zu realisieren.

ON Semiconductor bietet dafür ein breites Angebot an stromsparenden Sensoren, Power-Management-, Steuerungs- und Datenanbindungslösungen. Umfassende Entwicklungskits decken den gesamten Designzyklus und das Angebot an stromsparenden Lösungen ab. Für Kunden vereinfacht sich somit das Rapid Prototyping entsprechender IoT-Anwendungen, und auch die Markteinführung erfolgt schneller.

(jwa)