Bild 1: Mit Smartphone- und Tablet-Apps haben Anwender eine intuitive Möglichkeit, ihre Produkte zu bedienen und sie mit dem „Internet der Dinge“ kommunizieren zu lassen.

Bild 1: Mit Smartphone- und Tablet-Apps haben Anwender eine intuitive Möglichkeit, ihre Produkte zu bedienen und sie mit dem „Internet der Dinge“ kommunizieren zu lassen.Texas Instruments

Experten schätzen, dass bis 2020 die Anzahl der Geräte mit Internet-Anbindung auf mehr als 30 Milliarden anwachsen wird: Durch diese umfassende Vernetzung (Bild 1) sind Anwender in der Lage, elektronische Systeme im Haus oder der Wohnung mobil oder über das Internet zu steuern. Die Alarmanlage schickt bei einem vermuteten Einbruch ein Foto, Beleuchtungen ließen sich aus der Ferne ein- und ausschalten. Über die Anbindung an das Internet können Hersteller Software-Updates einspielen und Störungsdiagnosen vornehmen. Bei einer kaputten Spülmaschine, zum Beispiel, weiß der Techniker anhand der Gerätedaten vorab, was am Produkt zu reparieren ist, und kann entsprechendes Werkzeug und Ersatzteile mitnehmen. Die Verbrauchsüberwachung aus der Ferne unterstützt Verbraucher auch darin, Wasser-, Gas- und Stromzähler jederzeit im Auge zu behalten.

Weshalb Wi-Fi?

Wi-Fi oder WLAN eignet sich besonders, Geräte mit dem Internet der Dinge zu verbinden: Die Technologie ist sowohl in Privatwohnungen als auch in Gewerbegebäuden und an öffentlichen Orten sehr verbreitet. Bisher wurde Wi-Fi aufgrund ihrer Komplexität vor allem in komplexeren Embedded-Systemen mit leistungsfähiger CPU integriert. Allerdings arbeiten die meisten IoT-Geräte auf Basis energiesparender Mikrocontroller (MCU), was für Wi-Fi-Systeme einen Architekturwechsel erfordert.

Auf CPU-basierten Systemen laufen in der Regel komplexere Betriebssysteme mit den entsprechenden Applikationen. Dadurch eignen sie sich besonders für Apps mit aufwändig gestalteten Benutzeroberflächen, Web-Inhalten, Video- und Media-Streaming. Im Gegensatz dazu sind MCU-basierte Systeme deutlich weniger komplex. Sie eignen sich am besten für sehr einfache Übertragungen beispielsweise von Diagnosedaten und Steuerungsbefehlen oder auch einfachen Web-Informationen wie Wetterdaten oder Stromtarifen, für die nur wenige Bytes übertragen werden müssen.

Bild 2: Die Wi-Fi-Architektur für komplexere Embedded-Systeme (oben) unterscheidet sich deutlich von einer Mikrocontroller-geeigenen Variante (unten). Hier wickelt das Wi-Fi-System auch höhere Protokollschichten ohne Hilfe des Prozessors ab.

Bild 2: Die Wi-Fi-Architektur für komplexere Embedded-Systeme (oben) unterscheidet sich deutlich von einer Mikrocontroller-geeigenen Variante (unten). Hier wickelt das Wi-Fi-System auch höhere Protokollschichten ohne Hilfe des Prozessors ab.Texas Instruments

Traditionelle Wi-Fi-Lösungen besitzen eine Komplexität in der Softwarearchitektur, mit der Embedded-Entwickler normalerweise aber nicht in Berührung kommen. Die Grafik in Bild 2 zeigt den traditionellen Aufbau einer Wi-Fi-Lösung, die an einen Mikroprozessor angeschlossen ist (obere Hälfte): Die  gesamte Software sitzt auf einem Hostprozessor. Das Handling der Pakete und die Ausführung von Software wie dem TCP/IP-Stack benötigt eine hohe Verarbeitungsleistung.

Unten links handelt es sich beim Host hingegen um einen Mikrocontroller, kombiniert mit der Simplelink Wi-Fi CC3000-Lösung von TI. In der MCU sitzen nur noch das API, der CC3000-Treiber und der SPI-Treiber. Die Netzwerksoftware mit dem TCP/IP-Stack, dem Wi-Fi-Treiber und dem Sicherheits-Supplicant ist dagegen in den Wi-Fi-Baustein eingebettet, sodass 2 KByte Flash und 251 Byte RAM ausreichen, um ein MCU-basiertes System durch Wi-Fi-Funktionalität zu ergänzen. Dementsprechend lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Host-Controller mit dem CC3000 kombinieren.

TI bietet neben dem ursprüngliche Modell CC3000 weitere Varianten der Simplelink-Wi-Fi-Controller an: Den Nachfolger CC3100 sowie den CC3200, der zusätzlich einen Cortex-M4-Kern besitzt, den der Anwender frei programmieren kann.

Zuverlässig und zertifiziert

Über den primären Aspekt der Softwarekomplexität hinaus muss eine Wi-Fi-Lösung für vorhandene MCUs auch einfach und zuverlässig sein. Entwickler MCU-basierter Systeme werden sich eher selten für Hochfrequenzdesign und die zugehörigen Zertifizierungen interessieren. Daher benötigen sie fertig zertifizierte HF-Module, auf die sie zurückgreifen können. Da die Markteinführungszeit MCU-basierter Produkte recht kurzer ist, sind einfache Entwicklungswerkzeuge und eine große Auswahl an Vorlagen für Anwendungssoftware sehr wichtig, damit das Hinzufügen der Wi-Fi-Funktion nicht zu einem Hindernis wird.

Eine weitere wichtige Anforderung bei Wi-Fi-Technik in IoT-Anwendungen ist, dass sich die Geräte einfach konfigurieren und mit dem Netzwerk verbinden lassen. Schwierig wird das, wenn die Eingabe eines Sicherheitsschlüssels bei Geräten ohne Display und Tastatur praktisch ausgeschlossen ist. Software wie die Smart-Config-Technologie von TI gibt Anwendern die Möglichkeit, ihre Geräte per Smartphone-, Tablet- oder PC-Applikation einfach mit ihrem WLAN zu verbinden.

Wi-Fi für das IoT

Wi-Fi ist nicht die einzige Technik, die sich für die drahtlose Anbindung an das Internet der Dinge anbietet, und gelegentlich ist sie nicht einmal die beste. Wi-Fi muss zudem neben anderen Technologien wie Bluetooth, Bluetooth Low Energy oder Zigbee funktionieren. Mit Stromspar-Betriebsarten sowie MCU-gerechten Speicheranforderungen, Software- und Support-Konzepten wird Wi-Fi jedoch zu einer sehr effektiven drahtlosen Lösung.