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WLAN Standardlösungen für Embedded Devices

| Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky* / Jan Vollmuth

Das Einbinden eines Überwachungsgeräts, eines Steuergeräts oder einer mobilen Datenerfassung in ein Wireless LAN setzt die Integration drahtloser Technologie in das jeweilige Gerät voraus. Vor der Entwicklung einer eigenen Drahtlos-Lösung sollte ein Unternehmen sorgfältig analysieren, ob es die nötigen Kenntnisse und langfristigen Erfordernisse besitzt – oder besser zu einer Standardlösung greifen sollte.

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Bild 1: Ein 802.11-Standardmodul kann direkt mit dem UART des Mikroprozessors verbunden werden und nimmt ihm einen Großteil der Netzwerkkommunikation ab
Bild 1: Ein 802.11-Standardmodul kann direkt mit dem UART des Mikroprozessors verbunden werden und nimmt ihm einen Großteil der Netzwerkkommunikation ab
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit einigen Jahren erfährt die drahtlose Kommunikation aufgrund des kontinuierlichen steigenden Bedarfs an mobilen Applikationen und gleichzeitig deutlichen gesunkenen Kosten eine enorme Nachfrage. Als Standard für drahtlose Netzwerke und für den Internetzugang hat sich der Standard IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 durchgesetzt (Tabelle 1 siehe Bildergalerie). Aufgrund der Popularität und Skalierbarkeit von der Varianten b und g steht die Implementierung von 802.11b/g-Lösungen für Entwickler und OEM-Hersteller im Vordergrund.

Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder entwickelt man eine integrierte drahtlose Anbindung mithilfe eines Chipsets und schreibt die zugehörige Software und Firmware selbst, oder setzt eine bewährte Standardlösung ein.

Bildergalerie

Die Wahl hängt von verschiedenen Faktoren ab. Um die beste Option zu bestimmen, müssen eine Reihe von Faktoren erwogen werden:

  • Qualifizierte Entwicklungskapazitäten,
  • Zeitrahmen bis zur Markteinführung,
  • Risiko,
  • Erforderliche Freigaben, z.B. CE, FCC,
  • Stückzahl,
  • Spezielle Anforderungen des Kunden.

Die Inbetriebnahme einer eigenen WLAN-Schaltung setzt Erfahrung mit HF-Schaltungen, elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), Mikroprozessorschaltungstechnik und Leiterplattenlayout voraus. Hinsichtlich der Software benötigt man das Knowhow, wie eine Echtzeitumgebung, ein TCP/IP-Stack und die jeweilige Applikationssoftware zu einer funktionsfähigen Einheit verknüpft wird. Dies erfordert in der Regel ein Team aus zwei bis vier Ingenieuren. Die Entwicklung eines grundlegenden WLAN-Designs mit minimaler Sicherheit auf Basis eines herkömmlichen Chipsets kann 1,5 bis 2 Jahre dauern (Tabelle 2 siehe Bildergalerie).

Wie die Tabelle zeigt, sinkt der Entwicklungsaufwand mit einem Standardkommunikationsmodul deutlich. Ein solches Modul enthält einen kompletten 802.11b/g-fähigen Sender/Empfänger, einen integrierten TCP/IP-Stack, ein Echtzeitbetriebssystem für die Verwaltung der Kommunikation, einen integrierten Webserver, RAM und Flash-Speicher für Firmware, Daten und OEM-Web-Seiten. Es bietet eine einfache serielle Schnittstelle und tunnelt die seriellen Daten von und zum Netzwerk. In der grundlegenden Konfiguration benötigt ein Standardmodul lediglich eine Betriebsspannung von 3,3 V sowie TX- und RX-Signale zum Betrieb.

Die seriellen Signale (TX und RX) können direkt mit dem UART des Mikroprozessors verbunden werden. Wenn die Anwendung es verlangt, stehen RESET, Hardware-Handshake (RTS, CTS) and Modemsteuersignale (DTR, DCD) zur Verfügung. Frei verwendbare I/O-Pins (GPIO) können zusätzlich für Hardware-Handshake oder allgemeine Steuerungsaufgaben eingesetzt werden (siehe Bild). Da das Standardmodul den Mikroprozessor entlastet, können auch 8- und 16-Bit-Mikroprozessoren leicht mit einer drahtlosen Schnittstelle aufgerüstet werden.

Standardlösungen werden vom Hersteller kontinuierlich weiterentwickelt

Ein weiter wichtiger Faktor ist die Risikominderung. Bei der Entscheidung für die Produktmerkmale eines WLANs müssen viele Entscheidungen frühzeitig im Entwicklungsprozess getroffen werden. Ist eine oder mehrere Entscheidungen falsch, steigt die Entwicklungszeit gegenüber der ursprünglichen Planung. Zudem wird der Testaufwand häufig unterschätzt, der mit einer Neuentwicklung verbunden ist. Gleiches gilt für die Langzeitverfügbarkeit: Drahtlose Technologien entwickeln sich weiter, neue Chipsets drängen auf den Markt. Falls die Lebensdauer eines Chipsets z.B. vier Jahre beträgt, die Entwicklungszeit zwei Jahre, muss man alle zwei Jahre das Design nachentwickeln.

Standardlösungen reduzieren diese Risiken: Sie werden vom Hersteller kontinuierlich weiterentwickelt und intensiv getestet, Abmessungen, Elektrik und Funktion bleiben immer gleich.

Bevor ein Produkt mit einem HF-Transceiver in Verkehr gebracht werden darf, muss es von der zuständigen Behörde freigegeben werden. Dies ist mit Zeit und Kosten verbunden und unterscheidet sich von Land zu Land: In den USA muss z.B. ein Prototyp einen Test der Zulassungsbehörde FCC bestehen, der mindestens 30 Tage dauert und ab 5000 $ kostet – beim Auftreten von Problemen steigen Zeitaufwand und Kosten. Typische Standardmodule sind hingegen bereits freigegeben, sodass das Gesamtgeräts nur noch einen vereinfachte Freigabe durchlaufen muss.

Drahtlose Sicherheit ist ein weiterer wichtiger Punkt. Bis der sich in der Definitionsphase befindliche Standard 802.11i für erhöhte Sicherheit verabschiedet ist, wird der Industriestandard WPA (WiFi Protected Access) zur sicheren Datenübertragung eingesetzt. WPA ist für den Einsatz mit einem Authentifizierungsserver gedacht, der verschiedene Schlüssel an jeden Anwender verteilt. Zur Zeit sind keine Sicherheitslücken für WPA bekannt.

Das Problem mit der Sicherheit: Bei einer Chiplösung muss man sich auf Drittanbieter verlassen. Diese Angebote sind jedoch oft teuer und müssen zudem noch in das Betriebssystem und den TCI/IP-Stack integriert werden. Auch hier zeigen Standardmodule Vorteile: WPA und sein Vorgänger WEP (Wired Equivalent Privacy) sind bereits eingebaut, ebenso Sicherheitsfunktionen nach 802.11i.

Um einen nennenswerten ROI zu erzielen, muss die Jahresmenge relativ hoch sein

Die Jahresmenge eines Produkts sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Um einen nennenswerten ROI (Return on Investment) für ein WLAN-Entwicklungsprojekt zu erzielen, muss die Jahresmenge relativ hoch sein, um den Aufwand mehrerer Mannjahre für die Entwicklung zu rechtfertigen.

Um den ROI zu berechnen, wird der Erlös einer Investition in Relation zu den Kosten gesetzt. Das Ergebnis wird als Prozentsatz oder Verhältnis ausgedrückt: ROI = (Return from Investment – Cost of Investment)/Cost of Investment

Je höher der ROI-Prozentsatz, desto höher ist der Erlös bezogen auf die anfängliche Investition.

Zwei Beispiele verdeutlichen eine ROI-Kalkulation (Tabelle 3 und 4 siehe Bildergalerie): In Projekt A wird der ROI bei der Entwicklung eines WLAN-Interfaces mit einem diskreten Chipset berechnet, in Projekt B bei der Entwicklung eines WLAN-Interfaces mit einem Standardmodul.

Dabei liegen folgende Annahmen zugrunde:

• Projekt A: Das Endprodukt wird für 1000 € mit einer Bruttomarge von 50% verkauft, die Ingenieurstunde ist mit 80€ angesetzt, die geschätzte Entwicklungszeit für die Chiplösung beträgt 3200 Stunden (Tabelle 2 siehe Bildergalerie).

Ergebnis: Im Jahr 1 liegt der ROI bei 13% und im Jahr 3 bei 72%. Diese Zahlen gehen von einem sehr geringen Risiko aus. Unabwägbare Faktoren können die Entwicklungskosten in die Höhe treiben, was den ROI reduzieren würde.

• Projekt B: Das Endprodukt wird für 1000 € mit einer Bruttomarge von 50% verkauft, die Ingenieurstunde ist wieder mit 80 € angesetzt und die geschätzte Entwicklungszeit für eine Lösung mit Standardmodul beträgt 240 Stunden

Ergebnis: Im ersten Jahr ist der ROI 89% und im dritten Jahr 98%. Dies ist eine große Verbesserung gegenüber der Entwicklung auf Chipset-Basis. Der größte Unterschied zwischen den beiden Projekten resultiert aus Einsparungen bei Entwicklungskosten in Höhe von 264 000 €.

Standardlösungen sind oft die bessere Wahl

Für mobile Anwendungen ist die Integration drahtloser Technologien unerlässlich. Vor der Entwicklung sind jedoch grundsätzliche Überlegungen wichtig: Firmen sollten ihre internen Kapazitäten einschließlich Kompetenz analysieren, um herauszufinden, ob sie die nötigen Kenntnisse und langfristigen Erfordernisse mitbringen, um eine eigene Drahtlos-Lösung zu entwickeln. Eine Firma muss die darin enthaltenen Risiken abwägen, den Zeitrahmen und finanziellen Aufwand realistisch einschätzen, die erforderliche EMV-Freigabe berücksichtigen und die Sicherheit des Systems kalkulieren. Nach eingehender Überlegung entscheiden sich viele Unternehmen für eine erprobte Standardlösung.

*Rudolf Sosnowsky ist Marketingleiter bei HY-LINE Computer Components

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