Embedded Boards Erweiterungsplatine macht den Raspberry Pi 5G-fähig

Autor / Redakteur: Alexander Feix und Wicki Winzer * / Margit Kuther

Ein Vorteil der PC-Platine Raspberry Pi ist, dass sich Zusatzfunktionen mittels Steckplatinen, so genannter Hardware Attached on Top, ergänzen lassen. Eine solche Erweiterungsplatine, das Shield HAT 5G, macht den Pi auf einfache Weise 5G-fähig.

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Bild 1: 5G Shield HAT von Atlantik: macht Geräte auf einfache Weise 5G-fähig.
Bild 1: 5G Shield HAT von Atlantik: macht Geräte auf einfache Weise 5G-fähig.
(Bild: Atlantik Elektronik)

Unter dem Dach Atlantik 5G Haus bündelt die Atlantik Elektronik die eigenen Kompetenzen, um für Partner und Kunden etwa die komplexe Thematik 5G Realität werden zu lassen. Astradis Elektronik, die Service Company von Atlantik Networxx, startete im gleichen Zeitraum das Projekt Raspberry Pi für die Industrie.

HAT bringt Zusatzfunktionen für den Raspberry Pi

Ein Vorteil der Raspberry-Pi-Familie ist, dass Zusatzfunktionen mithilfe von Erweiterungsmodulen, so genannten Hardware Attached on Top (HAT) hinzugefügt werden können. Dabei muss nichts auf dem Singleboard Computer (SBC) angepasst werden. Die Idee war schnell geboren, den Pi mit einem Shield HAT 5G-fähig zu machen.

Das Thema 5G in der Industrie betrifft zum Großteil Campus-Netzwerke in diversen Ausrichtungen und Ausbaustufen. Ob es nun Standalone, Standalone mit WiFi 6 und die jeweiligen Campusnetze mit Anbindung an das öffentliche 5G-Netz sind. Genau hier liegen die Anwendungsbereiche für unseren atxx Shield HAT 5G. Geräte können einfach 5G-fähig gemacht werden. Sensoren können ihre Daten über WLAN oder Bluetooth an den Pi senden und der kann dann über 5G weiterfunken.

Vermittler zwischen 5G-Modul und dem Raspberry Pi

Der ATXX Shield HAT funktioniert dabei nur als Vermittler zwischen dem 5G-Modul unseres Partners Quectel und dem Raspberry Pi. Das Modul von Quectel wurde von Atlantik ausgewählt, da unser Partner einer der ersten war, der ein 5G-Modul mit einer M.2-Schnittstelle angeboten hat. Die Treiber für das Quectel RM500Q waren auch schon früh im Linux-Kernel vorhanden, sodass wir damit unsere Entwicklung vorantreiben konnten.

Es kam kein gelötetes Modul in Frage, da eine solche Platine für zu erwartende Änderungen und neue Releases zu unflexibel ist. Die Preise der Module waren und sind auch noch so hoch, dass wir eine Lösung anbieten wollen, die für zukünftige weiterentwickelte Module auch anderer Firmen offen ist. Entwickler sollen auch andere M.2-Module auf unserem Shield einsetzen können.

Kombination von ATXX 5G HAT und Raspberry Pi 4B

Der ATXX 5G HAT verfügt über eine eigene 5-V-Stromversorgung, um den teilweise erheblichen Strombedarf des Moduls zu decken. Das RM500Q von Quectel stellt uns und sicher auch die anderen Anwender vor einige thermische Probleme, denn für den Betrieb in einem Gehäuse muss daher sicher an ein Kühlsystem gedacht werden. In dem zum jetzigen Zeitpunkt geplanten Einsatz mit Development-Charakter sollte das zu keinen größeren Problemen führen.

Die weiteren Tests bei uns und unseren ersten Käufern werden hier sicher Erkenntnisse bringen, wieviel Kühlung für den Betrieb des Moduls in einem Gehäuse notwendig ist. Unsere Kombination aus 5G Shield HAT und Raspberry Pi 4B mit 4 oder 8 GB hat einige Vorteile gegenüber den Development Kits der Hersteller, die wir auch bewusst nutzen wollen. Der Raspberry Pi ist mittlerweile in der Entwicklergemeinde etabliert und die Unterstützung in der großen Nutzergemeinde hilft sehr bei der Entstehung von Lösungen. Herausforderungen bei der Entwicklung können zum großen Teil von der Community gelöst werden. Freie Software ist im Überfluss vorhanden.

Durch die Entwicklung in einem Linux-System ist Rapid Prototyping möglich und die Skalierbarkeit machbar. Der niedrige Preis des Raspberry erlaubt es, mehrere Versuchssysteme parallel zu entwickeln. Darüber hinaus ist es, durch die oft auch kritisierte Verwendung der µSD-Karte als Speichermedium möglich, Projekte im Team parallel weiterzuentwickeln und die Ergebnisse einfach auszutauschen. Gerade in einer Zukunft mit vielen Home-Office-Tagen und globalen Teams ein klarer Vorteil für den Raspberry Pi.

Referenzantenne für alle 5G-Frequenzen

Wie bei vielen Entwicklungen zeigte sich auch bei uns, dass nicht alles vorhanden ist, was man sich für eine wirklich abgerundete Lösung wünscht. Die am Markt erhältlichen Antennen eignen sich zwar für einige Frequenzen der geplanten 5G-Netze, aber eine Referenzantenne für alle geplanten Bänder war nicht am Markt erhältlich. Der Raspberry Pi wird aber weltweit verwendet und auch die 5G-Funkmodule werden in verschiedenen Ausführungen nahezu weltweit angeboten. Der Anspruch ist also, ein weltweit einsatzfähiges Entwicklungssystem anzubieten.

Hier half unsere Schwesterfirma Atlantik Elektronik weiter. Dort gibt es ein Kompetenzzentrum Antennen, das sich mit der Beratung und Entwicklung von kundenspezifischen Antennenlösungen beschäftigt. Hierhin wurde die Entwicklung, nach einer umfassenden Analyse, an eine verbundene Entwicklerfirma vergeben. Die Referenzantenne für alle weltweiten 5G-Frequenzen ist nun schon seit einigen Monaten bei Atlantik Elektronik verfügbar.

Die Raspberry Pi Foundation hat auch während unserer Entwicklungszeit zwei neue SBC auf den Markt gebracht. Gestartet wurde unser Projekt mit dem Raspberry Pi 3B+. Heute setzen wir für unseren HAT auf den Raspberry Pi 4B. Genau hier zeigt sich auch der besondere Vorteil des Raspberry Pi. Ein nahtloser Übergang vom älteren Modell zum neuen Modell war und ist ohne Probleme möglich.

Modul, SBC, Stromversorgung und Antenne waren also bereit. Die große Menge der Übertragungsdaten einer 5G-Anwendung mussten wir zuverlässig und schnell an den Raspberry PI weiterreichen. Wir haben uns für eine USB-3.0-Schnittstelle entschieden, die das große Volumen an die beim Raspberry Pi 4B schon vorhandenen USB-3.0-Schnittstelle weitergeben kann. Die Kapazität ist somit vorhanden und der Shield HAT kann auch zusammen mit anderen Systemen, z. B. einem Laptop, verwendet werden.

Frühzeitiges Hinterfragen von Marktchancen

Es ist bei Atlantik Tradition, schon während der Erarbeitung von Lösungen, Applikationsbeispiele zu konkretisieren und deren Marktchancen zu hinterfragen. Beim ATXX 5G Shield HAT gibt es schon eine Vielzahl von Ideen, herangetragen auch durch Kundengespräche. Die von uns geplante erste Demo wird dabei eine Anwendung für ein Update Over the Air sein. Diese Applikation eignet sich sowohl im öffentlichen wie auch in Campus-Netzen, um große Datenmengen während des Produktionsprozesses aufzuspielen oder aufwändigere Updates aus der Ferne ohne Nutzung der Netzwerkstruktur des Kunden zu vollziehen.

Innerhalb der Produktion könnte sich der Upload deutlich beschleunigen und auch die Fernwartung ließe sich zeitnah und kostengünstig erledigen. Schon eine solch einfache Anwendung birgt also ein erhebliches Einsparpotenzial. Der Zugewinn an Sicherheit und die Möglichkeit, auch Konzepte wie Hardware as a Service und Meantime to Failure bergen ebenfalls großes Potenzial, die Digitalisierung voranzubringen.

Zusatzhardware schließt Lücken im System

Wir bei Atlantik sind 100-prozentig von der Entwicklungstauglichkeit des Raspberry Pi überzeugt. Auch in Zukunft werden wir weiter Zusatzhardware entwickeln, um die Lücken im System zu schließen. Als Reseller für die Industrie werden wir das Thema weitertragen. Das Compute Module 4 macht den Raspberry Pi auch für Anwendungen mit größerer Stückzahl interessant. Und der neue Mikrocontrollerchip RP2040, eine Eigenentwicklung der Raspberry Pi Foundation, der unter anderen auf dem Mikrocontrollerboard Raspberry Pi Pico verwendet wird, öffnet ganz neue Märkte und führt sicher zu vielen innovativen Ideen und Anwendungen. Geplant ist bei Atlantik unter anderem, zusammen mit unseren Herstellern, HATs für WiFi 6E, Audio und Lora zu entwickeln.

* * Alexander Feix ... ist Head of Platform Strategies bei der Astradis Elektronik,

* Wicki Winzer Marketing Communications Manager bei der Atlantik Elektronik.

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