Vorteile von Wireless-Standards für Embedded-Systeme

In fast jedem zweiten Gerät sind Funklösungen für eine kabellose Datenübertragung oder zur Kommunikation ein Thema. Zu übertragende Datenmengen und die verfügbare Umgebung sind die Rahmenbedingungen. Die Entscheidung für den passenden Standard ist dadurch meist schnell gefällt. In Verbindung mit Embedded-Modulen kommt am häufigsten Wi-Fi (WLAN), gefolgt von Bluetooth und UMTS/GSM zum Einsatz. Es gibt jedoch noch zahlreiche weitere Funkstandards. Tabelle 1 bietet hierzu einen Kurzüberblick.

Bei der Wahl der richtigen Funklösung ist ein leistungsstärkerer Standard nicht immer empfehlenswert. Anwendungen können mehrfach von einer Passgenauigkeit in Bezug auf Reichweite und Frequenz profitieren. istockphoto/exdez

Aufgrund der Verbreitung und des bereits umfangreichen Ökosystems ist ein WLAN mit 2,4 GHz meist eine beliebte Wahl. Hier kann der Anwender zwischen einer sehr großen Anzahl von bereits vorzertifizierten Funkmodulen unterschiedlicher Hersteller wählen. Auf die Zertifizierung ist bei der Auswahl ein besonderes Augenmerk zu legen. Wesentliche Faktoren, auf die man achten sollte, sind vorhandene Länderzulassungen – auch von internen und externen Antennen –, erhältliche Treiber für die benötigten Funktionen sowie generell die langfristige Verfügbarkeit. Reicht die Übertragungsbandbreite nicht aus, gibt es den 5-GHz-Standard. Die Reichweite ist gegenüber 2,4 GHz etwas kürzer, jedoch kann dieser Standard ein Vielfaches der Datenmenge übertragen. Zudem ist die Störanfälligkeit deutlich besser. Bei WLAN kann der Anwender auf mehrere Verschlüsselungsverfahren zurückgreifen, um ein System sicherer zu gestalten.

Auf Störanfälligkeit achten

Bluetooth ist neben Wi-Fi (WLAN) eine der kabellosen Übertragungslösungen, die im lizenzfreien ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band) auf 2,4 GHz sendet. Bei der gleichzeitigen Verwendung von mehreren Standards ist es wichtig, auf die Störanfälligkeit zu achten. Insgesamt gibt es bei Bluetooth drei Klassen. Klasse 3 findet im industriellen Umfeld aufgrund der begrenzten Reichweite von zirka einem Meter so gut wie keinen Einsatz. Als relativ sicher gilt dieser Standard nur, wenn eine mehrstufige Schlüsselvergabe angewendet wird.

Neben Anwendungen in der Medizin und zur Erfassung von Sensordaten in Steuerungsanlagen findet Zigbee seinen Einsatz vorwiegend in der Licht- und Gerätesteuerung in Wohngebäuden sowie in intelligenten Haushaltsgeräten wie etwa Kaffee- und Waschmaschinen. Bei Zigbee gibt es ebenfalls Möglichkeiten, die Übertragung einigermaßen sicher zu gestalten. Ob diese den Projektanforderungen genügen, sollte im Vorfeld geprüft werden.

Z-Wave ist eine kabellose Übertragungstechnik, die vorwiegend in der Gebäudeautomatisierung benutzt wird. Ein Zusammenschluss von Herstellern und Dienstleistern hat diesen Funkstandard ins Leben gerufen, um unabhängig solche störungsfreien Lösungen zu realisieren. Ein großer Vorteil ist die Vereinheitlichung der Anwenderebene und die Interoperabilität aller auf dem Markt angebotenen Geräte. Um ein neues Gerät mit Z-Wave-Funktion auf den Markt zu bringen, muss eine Zertifizierung nach diesem Standard vorliegen. Er stellt sicher, dass alle Pflichtfunktionen je nach Geräteklasse den Vorgaben entsprechen.

Ohne zusätzliche Stromversorgung

Ein weiterer Funkstandard in der Gebäudeautomatisierung ist die Enocean-Technologie. Der Unterschied zu Zigbee und Z-Wave liegt darin, dass die Sensoren und Sender ohne zusätzliche Stromversorgung auskommen. Die benötigte Energie zum Senden von kurzen Funksignalen und Datenpaketen gewinnen sogenannte Nanogeneratoren. Diese Technologie ist auch bekannt als Energy Harvesting.

Die meisten Geräte und Systeme, die in IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen verwendet werden, benötigen aufgrund der geringen zu übertragenden Datenmengen auch nur eine geringe Bandbreite. Herkömmliche Mobilfunksysteme und drahtlose Funkverbindungen sind daher für die meisten Anwendungen oftmals zu komplex, zu teuer und verbrauchen zu viel Strom. Basierend auf diesen Anforderungen gewinnen immer mehr einfachere Standards an Bedeutung. Zwei davon sind Lorawan und Sigfox.

Thema der nächsten Seite: Sendereichweiten von bis zu 40 km

Die Eigenschaften der im industriellen Umfeld am meisten verbreiteten Funkstandards im Leistungsvergleich. TQ-Systems

Die Vorteile von Lorawan und Sigfox sind die Sendereichweiten, die erreicht werden können. In Stadtgebieten betragen diese etwa 15 km, in ländlichen Gegenden bis zu 40 km. Ein weiterer Pluspunkt ist die gute Signaldurchdringung aufgrund des verwendeten Frequenzbandes. Dadurch können sie innerhalb von Gebäuden eingesetzt werden. Der Stromverbrauch von Lorawan- und Sigfox-Endgeräten beträgt etwa 10 mA im Betrieb und zirka 100 nA im Ruhemodus. Aus diesem Grund können beide Technologien in batteriebetriebenen Geräten genutzt werden. Die Kommunikation zwischen Endgeräten und Gateways erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Sie liegen zwischen 0,3 und 10 kbit/s. Besonders im IoT-Bereich sind dies Merkmale, die zu einer einfacheren und kostengünstigeren drahtlosen Vernetzung führen. Die Ankopplung eines Lorawan- oder Sigfox-Moduls erfolgt über USB.

Entscheidet man sich für den Einsatz nichtkabelgebundener Übertragungen, ist ein passendes Sicherheitskonzept ein Muss. Bei der Auswahl der Funklösung ist zwingend darauf zu achten, welche Sicherheitsstandards und Verschlüsselungsverfahren unterstützt werden. Wer möchte schon, dass Informationen und Daten durch Hacker, Sicherheitslücken oder unzureichenden Schutz missbraucht und veröffentlicht werden?

In sehr vielen Fällen werden die erwähnten Wireless-Lösungen in Verbindung mit einem Embedded-System eingesetzt. Besonders die ARM-basierenden CPUs ermöglichen durch eine Vielfalt der vorhandenen Schnittstellen eine unkomplizierte Anbindung. Die Softwareunterstützung aller Funklösungen wird weiter verbessert und erleichtert Entwicklern die Umsetzung von Projekten. In einigen Geräten und Gateways sind mehrere Funklösungen implementiert. Dabei ist zu beachten, ob diese sich gegenseitig beeinflussen oder gar stören.

Systementwickler stehen vor vielen Herausforderungen, um für ihre projektspezifischen Anforderungen eine passende Lösung zu finden. Ein Ansatz sind modulare Embedded-Produkte, welche die benötigte drahtlose Verbindung auf dem Baseboard umsetzen. Bei einem modularen Aufbau gibt es Standards wie M.2 und Mini PCIe mit bestimmten Vor- und Nachteilen. M.2 gewinnt seit einiger Zeit zunehmend an Bedeutung, da mehr und mehr Anbieter von Funkmodulen auf diesen Standard setzen. Nachteilig hierbei ist, dass bereits bei Entwicklungsbeginn festgelegt werden muss, auf welchem Interface die Schnittstelle realisiert wird. Mini PCIe hat diesbezüglich eine höhere Flexibilität, da diese Schnittstelle sowohl mit USB als auch mit PCIe belegt ist. Zudem lässt sich für den Einsatz von Mobilfunk-basierenden Lösungen eine SIM-Karte anbinden. Hier gibt es nach wie vor sehr viele Hersteller unterschiedlichster Funkstandards, die eine langzeitverfügbare Lösung anbieten. Die dritte Möglichkeit ist, sich einen Hersteller auszuwählen, der mehrere in Betracht gezogene Funkmodule anbietet.

Länderzulassungen und Zertifizierung (bereits in der Planung überprüfen)

Beim Einsatz einer drahtlosen Verbindung ist zudem zu beachten, dass es eine Zulassung beziehungsweise eine EU-Konformitätserklärung in Anlehnung des jeweiligen Standards gibt. Im Wesentlichen wird dies über die Richtlinie 2014/53/EU (Radio Equipment Directive – RED) über Funkanlagen geregelt. Damit ist sichergestellt, dass Hardware (Sende- Empfangseinheit und Antenne) und Software (Treiber und Betriebssystem) entsprechend der Vorgaben zusammenwirken. Bei jeglicher Änderung ist unter Umständen eine gänzlich neue Zulassung erforderlich, oder es muss ein Teil der Zulassung neu durchlaufen werden. Außerhalb Europas kann diese je nach Einsatzort und Land unterschiedlich sein. Empfohlen wird daher ein Funkmodul zu verwenden mit einer bereits vorhanden Zulassung (auch länderspezifisch) oder einer geeigneten Vorzertifizierung. Das spart am Ende wertvolle Ressourcen und Geld.

Bei der drahtlosen Datenübertragung ist es empfehlenswert aufgrund der Zulassungsthematik und der Langzeitverfügbarkeit, auf ein modulares Konzept zu setzen. Dieses gibt die Möglichkeit, bei Änderungen jeglicher Art individuell und kosteneffizient zu reagieren. Eine Umsetzung von Projekten sollte am besten mit Partnern umgesetzt werden, die auf eine langjährige Entwicklungserfahrung und Lösungskompetenz zurückgreifen können.

(ah)