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DECT ULE – Kampfansage an Bluetooth, Zigbee und WLAN

| Redakteur: Margit Kuther

Digital Enhanced Cordless Telecommunications Ultra Low Energy: basiert auf DECT
Digital Enhanced Cordless Telecommunications Ultra Low Energy: basiert auf DECT (Bild: Codico)

Der DECT-Standard wurde nur für die Übermittlung von Sprache entwickelt. Eine Erweiterung ermöglicht die Übertragung von Daten und damit die Einbindung von DECT-Geräten ins Internet.

DECT ULE (Digital Enhanced Cordless Telecommunications Ultra Low Energy) basiert auf dem weit verbreiteten Telefoniestandard DECT. Während DECT für die Sprachübermittlung entwickelt wurde, ist mit CAT-iq (Cordless Advanced Technology – internet und quality) eine Erweiterung geschaffen worden, die auch die Übertragung von Daten unterstützt und somit die Einbindung in das Internet erlaubt.

Der Distributor Codico, der auch Komponenten vertreibt, informiert über den Standard und gibt Anwendungsbeispiele, etwa zu einem passiven Infrarotsensor und einem Rauchmelder.

Reserviertes Frequenzband garantiert Zuverlässigkeit

Einer der Vorteile ist das reservierte Frequenzband (1880 bis 1900 MHz in Europa). Dieses geschützte Frequenzband garantiert zuverlässiges Arbeiten der DECT-Geräte. Denn es schließt Interferenzen und die damit verbundenen Übertragungsstörungen aus, mit denen Technologien wie WLAN, Bluetooth und Zigbee zu kämpfen haben, die freie Frequenzbänder wie 2,4 GHz oder 868 MHz nutzen.

Weitere Vorteile sind Sicherheit durch AES-Verschlüsselung und Signaturen, Reichweiten von mindestens 30 m in Gebäuden und 300 m im Freien, kurze Latenzzeiten und geringer Stromverbrauch.

Markforscher sehen den größten Vorteil von DECT ULE in der Kompatibilität mit dem millionenfach bewährten DECT-Standard.

Denn für die Systeminstallation von DECT-ULE-Produkten ist lediglich ein Firmware-Update der bestehenden Basisstation nötig, wodurch bis zu 2000 DECT-ULE-Teilnehmer konfiguriert und verwaltet werden können. Somit bringen weltweit Millionen von installierten Basisstationen die besten Voraussetzungen, um ein DECT-ULE-Netzwerk schnell und kosteneffizient zu implementieren.

DECT-ULE, ideal für Sensoren und Aktoren

Die besonderen Eigenschaften machen DECT-ULE zum idealen Funkstandard für Sensoren und Aktoren, etwa in der Gebäudeautomation, Remote Healthcare, Energiemanagement und in Sicherheitsapplikatonen. DECT-ULE übernimmt die Physical-Layer-Spezifikation von DECT.

Die MAC-Ebene wurde jedoch hinsichtlich verbesserter Eigenschaften in Low Power und Reaktionszeit optimiert, indem die Ausführungszeit für die Zeit- und Frequenzsynchronisationen bei einem Verbindungsaufbau drastisch verkürzt wurde. So kann der MAC-Layer innerhalb von 50 ms eine Verbindung aufbauen, Kontroll- und/oder Steuerdaten schicken und die Verbindung wieder abbauen.

Außerdem wurde das Protokoll um einen Sleep Mode erweitert, der einen effizienten Wechsel zwischen den Schlafperioden und Funkübertragungen erlaubt. Zudem bietet ULE auf Basis von AES (Advanced Encryption Standard) die Verschlüsselung von Daten und deren Authentifizierungen.

Aufbau eines Heimnetzes mit DECT-ULE

Für den Aufbau eines Heimnetzes mit DECT-ULE ist eine Basisstation nötig, die den Konzentrator für die verschiedenen Knoten im System (Sensoren und Aktoren) darstellt.

Der Konzentrator kann im einfachsten Fall ein Home-Gateway mit einem integriertem DECT Chip sein, der entweder bereits ULE unterstützt oder durch ein Software Update auf ULE aufgerüstet wird. In naher Zukunft wird erwartet, dass mehr und mehr Home-Gateways durch ein Software Update ULE fähig sein werden.

Eine andere Option ist, einen dedizierten Konzentrator einzusetzen, der entweder lokale Managementfunktionen besitzt oder per Wifi, Telefonleitung oder Ethernet mit dem Internet verbunden ist. Denkbar sind auch USB Dongles, die einen DECT-ULE-Konzentrator implementiert haben. Grundsätzlich ist es auch möglich, reguläre DECT-Telefone um DECT-ULE zu erweitern und beide Funktionen in einer Basisstation zu integrieren.

System-on-Chip-Lösungen der DSP Group

Für alle exemplarisch genannten Anwendungsfälle bietet die Firma DSP Gr oup (erhältlich über Codico) die passenden System-on-Chip-(SoC-)Lösungen an. Diese reichen von einfachen SoCs mit Echtzeit-Betriebssystemen bis zu komplexen Lösungen, die auf Linux basieren und zusätzlich zur DECT und DECT-ULE Funktionalität eine komplette Telefonanlage mit bis zu 8 Kanälen für VoIP enthalten.

DECT-ULE Geräte als Konzentrator

Das untere Ende ist durch die DCX81-Familie abgedeckt, die für DECT-ULE-Geräte als Konzentrator arbeiten kann und gleichzeitig die komplette Sprachfunktionalität (GAP/CAT-iq 1.0/2.0/2.1) anbietet. Weitere Features sind z.B. ein integriertes USB Interface, Line Interface, UART, SPI und 2x AD/DA Wandler.

Der DCX81 ist ein kostenoptimierter Chip, dessen Code aus einem externen Quad SPI Flash ausgeführt wird und damit auch Software Update Funktionalität bietet. Der millionenfache Einsatz des DCX81 in regulären DECT-Telefonen bietet dem Kunden eine stabile und markterprobte Plattform, die einen weiten Anwendungskreis erschließt.

SoC-Lösungen und Netzwerkknoten

Für zahlreiche Anwendungen bietet DSP Group die passenden System-on-Chip- (SoC-) Lösungen an, die über den Distributor Codico vertrieben werden. Diese reichen von einfachen SoCs mit Echtzeit-Betriebssystemen bis zu komplexen Lösungen, die auf Linux basieren und zusätzlich zur DECT- und DECT-ULE-Funktionalität eine komplette Telefonanlage mit bis zu acht Kanälen für VoIP enthalten.

So kann die DCX81-Familie beispielsweise für DECT-ULE-Geräte als Konzentrator arbeiten und gleichzeitig die komplette Sprachfunktionalität (GAP/CAT-iq 1.0/2.0/2.1) anbieten. Weitere Features sind etwa integriertes USB, Line Interface, UART, SPI und zwei AD/DA-Wandler.

Der DCX81 ist eine extrem stabile und markterprobte Plattform, da er millionenfach in regulären DECT-Telefonen eingesetzt wird.

Die Netzwerkknoten

Für Sensoren und Aktoren bietet DSP Group mit dem DHX91 einen Chip an, der auf stromsparende Anwendungen und schnelle Reaktionszeiten optimiert ist. Neben den regulären DECT- und DECT-ULE-Funktionen, die in verschiedenen Interoperability Events mit anderen DECT-ULE-Herstellern getestet wurden, ist eine Sensorik/Aktorik (SA) Einheit integriert.

Diese spezielle Funktion bietet die Integration von Sensorik- und Aktorikanwendungen auf einem Chip, ohne eine zusätzliche MCU zu benötigen.

Im Folgenden sind einige besondere Funktionen der SA-Einheit beispielhaft beschrieben. Alle diese Funktionen stehen dem Anwender auch im Sleep Mode zur Verfügung. In diesem Mode kann die SA-Einheit ohne Prozessorintervention, bei sehr geringem Stromverbrauch, Messungen und Steuerungen autonom ausführen und den Prozessor innerhalb von 10 ms aufwecken, falls dies ein Ereignis fordern sollte.

Sensor Conditioning Modul für Sensoranwendungen

Blockschaltbild DHX91: Die SA-Einheit wird aus den rot umrahmten Blöcken gebildet
Blockschaltbild DHX91: Die SA-Einheit wird aus den rot umrahmten Blöcken gebildet (Bild: Conrad)

Das Sensor Conditioning Modul (SCM) ist eine im SA integrierte und konfigurierbare analoge Schaltung, die mit 2 Verstärkern und 2 Komparatoren verschiedenste Sensoranwendungen implementieren kann. Das SCM ist für extrem geringen Stromverbrauch (~ 3uA) optimiert.

Blockschaltbild SCM Sensor Conditioning Modul: Im Folgenden ist das komplette SCM mit allen Komponenten dargestellt
Blockschaltbild SCM Sensor Conditioning Modul: Im Folgenden ist das komplette SCM mit allen Komponenten dargestellt (Bild: Codico)

In diesem Schaltbild ist das komplette SCM mit allen Komponenten dargestellt:

SCM als passiver Infrarot-Sensor

Ein PIR-Sensor reagiert unter Ausnutzung der Pyroelektrizität seiner Empfängerfläche auf eine Temperaturänderungen. Wenn sich ein Objekt im Raum bewegt, wird die Wärmedifferenz zwischen dem Objekt und dem Umfeld in Spannung umgesetzt.

Die beiden in Serie geschalteten Verstärker AMP1 und AMP2 haben eine filternde und verstärkende Funktion. Das Ausgangssignal wird durch zwei Komparatoren gegen zwei Referenzspannungen gemessen, die den Schwellwert definieren. Der Frequenzbereich zur Bewegungserkennung bewegt sich zwischen 0,1 Hz bis 10 Hz, die Signalverstärkung liegt zwischen 60 dB und 70 dB.

Anwendung für einen Rauchmelder

Eine LED und eine Photodiode im Innern eines Rauchmelders wandeln Licht in Spannung um. Da keine direkte Sichtlinie zwischen der LED und der Photodiode vorhanden ist, wird im Normalfall von der Photodiode keine Spannung erzeugt. Dringt Rauch in den Rauchmelder ein, so wird das Licht der LED auf die Photodiode reflektiert und somit eine Spannung erzeugt.

Die Detektion erfolgt in zwei Phasen:

  • In der ersten Phase ist die LED aus und somit werden AMP1_P, ANA_IN1 und AMP1_OUT kurzgeschlossen. Dies bewirkt die Entladung von C1 und C2.
  • In der zweiten Phase wird die LED kurz eingeschaltet. Sollte vorhandener Rauch zu Reflektionen führen, so wird im Verhältnis der beiden Kondensatoren C1 und C2 die Eingangsspannung durch AMP1 verstärkt. Der Schwellwert für die Erkennung wird durch die Spannung VREF1 eingestellt.

Counter-Einheiten verwenden

Neben der SCM bietet die SA-Einheit aber auch noch weitere Funktionen. So können die Counter-Einheiten verwendet werden, um Impulse zu zählen und beim Erreichen einer vorkonfigurierten Anzahl von Ereignissen das System aufzuwecken. Zu beachten ist das integrierte Entprell-Modul, das nur echte Ereignisse an den Zähler weiter gibt.

Auf ähnliche Weise können auch periodische Ereignisse zum Aufwecken des Systems verwendet werden. Es ist sogar möglich, Ereignisse über einen definierten Zeitraum zu zählen und das System nur aufzuwecken, wenn eine definierte Anzahl von Ereignissen im gewählten Zeitraum stattgefunden hat. Des Weiteren können auch PWM-Signale generiert werden, die auch im Sleep Mode zur Verfügung stehen.

Die oben aufgeführten Beispiele zeigen nur einen kleinen Auszug aus den vorhandenen Möglichkeiten der SA Einheit. Es lassen sich alle Funktionen in großen Bereichen variieren und konfigurieren, was eine schier unbegrenzte Anzahl von Anwendungen erlaubt.

Unterstützung durch Codico

Die DSP Group versteht sich als Systemlieferant und nicht nur als Chip-Hersteller. Alle Integrierten Schaltungen werden mit einem umfangreichen Software-Paket angeboten. Diese beinhalten Operating System (Embedded oder Linux), DECT Stack, DECT-ULE Stack, Audio-Funktionen wie Codecs und Echounterdrücker sowie umfangreiche Beispielanwendungen.

Für alle Fragen rund um DECT ULE steht Codico Field Application Engineer & Product Manager André Ehlert zur Verfügung (andre.ehlert@codico.com; +49 89 1301438-11).

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Ergänzendes zum Thema
 
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