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Moderne Wireless-SoCs für Industrial-IoT-Installationen

| Autor / Redakteur: Rich Miron * / Michael Eckstein

In industriellen IoT-Applikationen herrscht oft ein babylonisches Protokoll-Wirrwarr. Multiprotokoll-Multiband-fähige Wireless-SoCs können das Entwickeln von Geräten für das IIoT deutlich vereinfachen.

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Ein IPv6-Netzwerk mit einem 6LoWPAN-Mesh-Netzwerk. Der Uplink zum Internet wird über einen Access Point realisiert, der als IPv6-Router fungiert und mit einem IPv6-Edge-Router verbunden ist, mit dem wiederum mehrere PCs und Server verbunden sein können. Das 6LoWPAN-Netzwerk ist über einen Edge-Router mit dem IPv6-Netzwerk verbunden.
Ein IPv6-Netzwerk mit einem 6LoWPAN-Mesh-Netzwerk. Der Uplink zum Internet wird über einen Access Point realisiert, der als IPv6-Router fungiert und mit einem IPv6-Edge-Router verbunden ist, mit dem wiederum mehrere PCs und Server verbunden sein können. Das 6LoWPAN-Netzwerk ist über einen Edge-Router mit dem IPv6-Netzwerk verbunden.
(Bild: Texas Instruments)

Zueinander inkompatible Funktechniken verkomplizieren den Aufbau drahtloser Netzwerke – nicht zuletzt in industriellen IoT-Installationen: Hier werden über die nächsten Jahre in vielen Anlagen hunderttausende Sensoren hinzugefügt. Hersteller von IoT-Transceivern haben zur Lösung dieses Problems preisgünstige und energiesparende SoC-Lösungen (System-on-Chip) entwickelt, die mehrere Protokolle unterstützen und mehrere HF-Bänder abdecken.

Das ist ein Novum: Noch vor wenigen Jahren gab es kaum IoT-Transceiver oder SoCs, die mehr als ein Protokoll für drahtlose Netzwerke unterstützten. Hersteller von Edge-Geräten mussten sich also für ein Protokoll entscheiden und dieses in ihrer gesamten Produktpalette einsetzen. So konnte es beispielsweise in der Heimautomatisierung vorkommen, dass sich ein Hersteller von „smarten“ Beleuchtungsprodukten für Zigbee entschied, während ein anderer Z-Wave wählte und wiederum ein anderer Wi-Fi – was eine ohnehin schon komplexe neue Technologie für die Verbraucher noch unübersichtlicher machte.

Der IIoT-Markt steht jetzt vor denselben Herausforderungen, allerdings in einem viel größerem Maßstab. Denn große Hersteller haben oft Niederlassungen auf der ganzen Welt. Die IoT-Lösungen müssen unterschiedlichste Anlagen unterstützen und verschiedene gesetzliche Anforderungen erfüllen. Die Verfügbarkeit von Multiprotokoll- und Multiband-Transceivern und Mikrocontroller-SoCs vereinfachte die Situation für Ingenieure sowie System- und Netzwerkarchitekten. Da diese SoCs zunehmend auch in Edge-Geräten zum Einsatz kommen, lassen sich nun Netzwerke konfigurieren, die mit mehreren Drahtlosprotokollen am Edge arbeiten. Dazu müssen jedoch SoCs von einem einzelnen Anbieter genutzt werden.

Die Herausforderung bei drahtlosen Netzwerkoptionen

Ein typisches SoC für das IoT besteht aus: Basisband- und HF-Sektion auf Basis einer Physical-Layer (PHY)-Drahtlosschnittstelle für Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) gemäß IEEE 802.15.4, ARM-Host-Prozessor und -Coprozessor, Verschlüsselungstechnik wie AES-128 sowie einem echten Zufallszahlengenerator (TRNG). Ferner enthält es Schaltungen für das Leistungs- und Sensormanagement, mehrere Taktgeber und Timer sowie verschiedene I/O-Optionen. Da Zigbee sich zu einem beliebten Protokoll für industrielle Anwendungen entwickelt hat, wird es von diesen Bausteinen nahezu ausnahmslos unterstützt, ebenso Protokolle wie Thread mit einer ähnlich geringen Datenrate. Auch Bluetooth Low Energy (BLE, hier Version 4) und in zunehmendem Maße Bluetooth 5 (BT, hier Version 5.1) werden häufig unterstützt.

Seit Version 5.1 beherrscht BT Mesh Networking und ist zu einem weiteren Kandidaten für große IoT-Anwendungen avanciert. Allerdings wird diese Version (noch) nicht von allen SoCs unterstützt. Einige Komponenten beherrschen auch IPv6 für WPAN mit niedrigem Energieverbrauch (6LoWPANs), einen offenen Standard auf der Basis von 802.15.4 PHY. 6LoWPAN umfasst die zur Implementierung von IPv6 benötigte IP Header Compression (IPHC), Standard-TCP/UDP auf den Schichten 802.15.4 PHY und Media Access Control (MAC) und arbeitet sowohl bei Frequenzen bis 900 MHz als auch 2,45 GHz. Der Uplink zum Internet erfolgt über einen IPv6-Edge-Router. Das 6LoWPAN-Netzwerk selbst ist über seinen eigenen Edge-Router mit dem IPv6-Netzwerk-Router verbunden.

Zu den charakteristischen Merkmalen von 6LoWPAN zählt seine Fähigkeit, über Standard-Internetprotokolle überall End-to-End-Paketlieferungen bereitzustellen. Das ermöglicht Entwicklern die Nutzung von High-Level-Messaging-Protokollen wie MQTT, CoAP und HTTP bei allen Anwendungen. Wie die anderen in diesem Artikel erwähnten Protokolle kann es zusätzlich zu 2,4 GHz auch im „Sub-1-GHz“-Band arbeiten. Unter Einsatz eines Transceivers mit einer HF-Ausgangsleistung von +12 dBm bei 900 MHz kann 6LoWPAN Distanzen bis zu vier Meilen (6,4 Kilometer) abdecken.

Niedrigere Frequenzen eignen sich besonders für den Innenbereich, da sie Wände besser durchdringen können. Bei entsprechender Konfiguration und mit einer geeigneten Bridge arbeitet 6LoWPAN mit jedem anderen IP-Netzwerk wie Ethernet, Wi-Fi oder sogar Mobilfunkdatennetzwerken zusammen.

Wesentliche Protokolle für das industrielle IoT

Zurzeit unterstützt kein SoC sämtliche im IoT genutzten Funkprotokolle. Für Entwickler von IIoT-Netzwerken ist das nicht entscheidend, denn einige der Protokolle, etwa Thread und Z-Wave, werden fast ausschließlich im Verbrauchermarkt eingesetzt. Damit verkleinert sich die Gruppe der Kandidaten auf Zigbee, 6LoWPAN und BT. Angesichts dessen sollte jedes SoC, das den 802.15.4-Standard unterstützt, auch mit Zigbee, LPWANs, Thread und wenn möglich auch mit proprietären Lösungen funktionieren, wenn diese Lösungen in denselben Bändern arbeiten.

Wi-Fi ist aufgrund seines recht hohen Stromverbrauchs meist nicht in den Multiprotokoll-SoCs für batteriegespeiste Edge-Geräteanwendungen enthalten. Im IoT wurde es primär für Backhaul-Anwendungen und als Internet-Gateway eingesetzt. Allerdings erreicht Wi-Fi hohe Datenraten und ist breit verfügbar. Schon seit einigen Jahren sind Wi-Fi-SoCs erhältlich. Sie kommen zum Einsatz, wenn IoT-Anwendungen sehr hohe Datenraten erfordern.

Eines dieser SoCs ist der Wi-Fi-Netzwerkprozessor CC3100R11MRGCR von Texas Instruments. Er vereint einen 2,4-GHz-Wi-Fi-Funk- und Netzwerkprozessor mit einem On-Chip-, Webserver und einem TCP/IP-Stack. In Verbindung mit einem Mikrocontroller von TI oder einem anderen Hersteller bildet er eine vollständige Wi-Fi-Lösung, die aus nur zwei kleinen Bausteinen besteht.

Darüber hinaus gibt es SoCs, die Wi-Fi und BT kombinieren. So unterstützt beispielsweise das WL1831MODGBMOCR von Texas Instruments aus der Wi-Fi/BT-Modulbaureihe WiLink 8 sowohl BT als auch BLE. Das Modul beherrscht IEEE 802.11b/g/n mit einer maximalen Datenrate von 100 MBit/s und Wi-Fi Direct. Dank 2 x 2-MIMO kann es das 1,4-fache des Bereichs eines Bausteins mit Einzelantenne abdecken.

Im Wi-Fi-Modus verbraucht es weniger als 800 Mikroampere (µA). Es ist kompatibel mit BT 4.2 Secure Connection, hat eine Host-Controller-Schnittstelle für BT über UART und einen Audioprozessor, der einen Unterband-Codec für das Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) von BT unterstützt. Außerdem sind in seinem kleinen Gehäuse HF-Leistungsverstärker und -Switches, Filter sowie weitere passive Komponenten integriert. Auch gibt es Funktionen für Leistungsmanagement und andere Ressourcen, wie etwa eine 4-Bit-SDIO-Host-Schnittstelle.

Das Multiprotokoll-SoC Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D von Silicon Labs kombiniert einen Mikrocontroller mit einem Transceiver, der zwischen 169 MHz und 2,450 Ghz arbeitet. Damit ist es kompatibel mit BLE und BT 5.1, mit Zigbee, Thread – und sogar mit 802.15g. Hierbei handelt es sich um eine Variante des Standards, die speziell für sehr große Versorgeranwendungen in Smart-Grid-Netzwerken gedacht ist, in denen es Millionen von festen Endpunkten in einem weit verstreuten Einsatzgebiet geben kann. Einige Vertreter der Mighty Gecko-Baureihe unterstützen Netzwerke, die unterhalb von 1 GHz arbeiten. Auf diese Weise ermöglichen sie unterschiedliche Modulationsschemata wie OOK-, Shaped-FSK-, Shaped-OQPSK- und DSSS-Modulation.

Die SimpleLink-SoCs der Baureihe CC26xx von Texas Instruments, dargestellt in diesem Blockdiagramm, sind repräsentative Vertreter von Drahtlos-IoT-SoCs. Der Host-Prozessor ist ein Arm Cortex-M3, unterstützt von einem Arm Cortex-M0-Koprozessor.
Die SimpleLink-SoCs der Baureihe CC26xx von Texas Instruments, dargestellt in diesem Blockdiagramm, sind repräsentative Vertreter von Drahtlos-IoT-SoCs. Der Host-Prozessor ist ein Arm Cortex-M3, unterstützt von einem Arm Cortex-M0-Koprozessor.
(Bild: Texas Instruments)

Die SimpleLink-Plattform von Texas Instruments umfasst Hardware mit Unterstützung für BLE und 5.1, Thread, Wi-Fi, Zigbee und Sub-1-GHz-Lösungen wie 6LoWPAN. Darüber hinaus werden auch Modelle angeboten, die kabelgebundene Standards wie Ethernet, CAN und USB beherrschen. Je nach Modell unterstützt ein Chip bis zu drei Drahtlosprotokolle. Für jedes Modell aus der Baureihe gibt es eine unterstützende Software-Entwicklungsumgebung. So bietet zum Beispiel die SimpleLink-Multistandard-Drahtlos-MCU CC2650F128RHBR Unterstützung für BT, Zigbee und 6LoWPAN, aber auch für Fernbedienungsanwendungen wie Zigbee Radio Frequency for Consumer Electronics (RF4CE).

Letzteres Protokoll ist eine Weiterentwicklung des Standards IEEE 802.15.4 und nutzt Netzwerk- und Anwendungsschichten, um interoperable Lösungen zwischen Produkten mehrerer Anbieter zu ermöglichen. Bei der CC2650 kommt ein 32-Bit-ARM Cortex-M3 als Host-Prozessor zum Einsatz, der auf einen Leistungssensor-Controller abgestimmt ist. Dieser agiert autonom, selbst wenn sich das Gesamtsystem im Schlafmodus befindet. Für den BT-Controller und den 802.15.4-MAC wird ein separater ARM Cortex-M0-Prozessor verwendet.

Das SoC MKW40Z160VHT4 von NXP Semiconductors unterstützt BLE und 802.15.4 für Zigbee und Thread, arbeitet zwischen 2,36 GHz und 2,48 Ghz und nutzt eine ARM Cortex-M0+-CPU, BT-Link-Layer-Hardware und einen 802.15.4-Paketprozessor. Neben seinem primären Einsatzzweck als Subsystem kann es auch als Modem dienen, um einen vorhandenen eingebetteten Controller mit BT- oder 802.15.4-Konnektivität zu ergänzen. Das SoC kann aber auch als eigenständiger Drahtlossensor für eine eingebettete Anwendung genutzt werden, wenn kein Host-Controller benötigt wird.

SmartMesh-Protokoll entstand in den 1990er Jahren

Das Multiprotokoll-SoC LTC5800IWR-IPMA#PBF von Analog Devices kombiniert die Unterstützung der bereits erwähnten 802.15.4-basierten Protokolle mit einem weiteren Protokoll namens SmartMesh, das eine interessante Vorgeschichte hat. Es wurde in den späten 1990er Jahren von Kris Pister entwickelt, einem Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California Berkeley, unter finanzieller Beteiligung des Smart Dust-Projekts der DARPA.

Ziel des Programms war die Schaffung einer kompakten und gleichzeitig hochzuverlässigen Funktechnologie, die mit einer Batterie oder per Energy Harvesting betrieben werden kann. Zu den Hauptkunden sollten Versorgungsbetriebe mit einer weit verzweigten Rohrleitungsinfrastruktur zählen, die oftmals unter schwierigsten Umgebungsbedingungen betrieben wird.

Zur Kommerzialisierung der Technologie gründete Pister gemeinsam mit Partnern das Unternehmen Dust Networks, um unter der Bezeichnung SmartMesh ein Mesh-Netzwerk aus drahtlosen Sensoren aufzubauen. Das Unternehmen wurde 2011 von Linear Technology übernommen, das wiederum 2017 von Analog Devices übernommen wurde, wo bis heute an SmartMesh gearbeitet wird – jetzt auch im Hinblick auf das IIoT.

In einem SmartMesh-Netzwerk agiert jeder Knoten als Router, sodass neue Knoten an einer beliebigen Stelle verbunden werden können. Die Technologie unterstützt bis zu 50.000 Knoten.
In einem SmartMesh-Netzwerk agiert jeder Knoten als Router, sodass neue Knoten an einer beliebigen Stelle verbunden werden können. Die Technologie unterstützt bis zu 50.000 Knoten.
(Bild: Analog Devices)

SmartMesh besteht aus einem selbst-optimierenden Multi-Hop-Mesh-Netzwerk von Knoten (die als Motes bezeichnet werden), welche Daten sammeln und weiterleiten, und aus einem Netzwerkmanager, der für die Koordinierung von Leistung und Sicherheit sorgt und die Daten mit einer Host-Anwendung austauscht (siehe nebenstehende Abbildung). Da die Zuverlässigkeit zu den wesentlichen Forderungen des DARPA-Programms zählte, hat sich das SmartMesh diese Fähigkeit bewahrt: mit einer Verfügbarkeit von 99 % selbst beim Betrieb unter härtesten Umgebungsbedingungen.

Als Kommunikationsprotokoll verwendet es eine Spread-Spectrum-Variante, genannt Time-Slotted Channel Hopping (TSCH), welche alle Motes in dem Netzwerk innerhalb weniger Mikrosekunden synchronisiert. Alle Motes in dem Netzwerk werden innerhalb von weniger als 1 Millisekunde (ms) synchronisiert und sind per Batterie über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren betriebsbereit. Zur Schaffung eines vollständigen drahtlosen Knotens werden lediglich Netzteilentkopplung, Quarze und eine Antenne benötigt. Bei Verwendung einer omnidirektionalen Antenne mit einer Verstärkung von 2 dBi hat das LTC5800-IPM eine typische Reichweite von 300 Metern (m) im Außenbereich und von 100 m im Innenbereich.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 11/2020 (Download PDF)

Angesichts der großen Vielzahl an Protokollen für drahtlose Netzwerke ist es äußerst schwierig, sich für die richtige Drahtlosschnittstelle mit entsprechendem Protokoll für IIoT-Anwendungen zu entscheiden, vor allem da eventuell auch ältere Systeme unterstützt werden müssen. Wie dieser Artikel gezeigt hat, können IoT-SoCs, die mehrere Kurzstrecken-Drahtlosprotokolle über mehrere HF-Bänder hinweg unterstützen, die Bereitstellung von IIoT-Netzwerken erheblich vereinfachen, indem sie Entwicklern ein höheres Maß an Flexibilität bieten.

* Rich Miron ist Applications Engineer und Sr. Technical Content Developer bei Digi-Key Electronics in Wadena, Minnesota.

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