Gebäudeautomatisierung

Strom sparende Alarmsysteme mit Funkvernetzung

26.02.2007 | Autor / Redakteur: Markus Pfeiffer* / Jan Vollmuth

Wichtig für Funkanwendungen: Das 2,4-GHz-Band ist weltweit einsetzbar, alternative Funkfrequenzen sind unterschiedlichen Regionen zugeteilt
Wichtig für Funkanwendungen: Das 2,4-GHz-Band ist weltweit einsetzbar, alternative Funkfrequenzen sind unterschiedlichen Regionen zugeteilt

In bestimmten Funkanwendungen wie zum Beispiel Sicherheitssystemen ist der Einsatz eines weit verbreiteten Funkstandards von Nachteil – proprietäre Protokolle oder Standards wie Konnex-RF sind oft besser geeignet. Texas Instruments unterstützt diese Standards mit seinen Chipcon-Transceivern und der Mikrocontrollerfamilie MSP430.

In den letzten Jahren haben sich zahlreiche Funkstandards etabliert. Darunter das ZigBee-Protokoll, das auf dem IEEE-802.15.4-Funkstandard aufsetzt. Es richtet sich speziell an Anwendungen zur Gebäudeautomatisierung, die häufig batteriebetrieben sind.

Proprietäre Verfahren, die nur in seltenen Fällen multihop-fähig sind, bieten zwar weniger Funktionen als ZigBee, weisen aber deutlich kleinere Stackgrößen auf. Dies empfiehlt sie u.a. für den Einsatz in Mess- und Alarmsystemen.

Bei der Auswahl geeigneter Hardware für proprietäre Standards müssen verschiedene Kriterien berücksichtigt werden: Nach der Entscheidung für ein proprietäres Protokoll oder einen bestimmten Standard folgt die Frage nach dem gewünschten Frequenzband.

Bessere Signalausbreitung im 868/915-MHz-Frequenzband

Dies hängt maßgeblich von den jeweiligen Regularien eines Landes bzw. einer Region ab: So ist das 2,4-GHz-Band zwar weltweit einsetzbar, jedoch erkennen z.B. nicht alle Versicherungsunternehmen Sicherheitssysteme an, die in diesem Frequenzbereich arbeiten.

Da zudem die Signalausbreitung im 868/915-MHz-Frequenzband besser als bei 2,4 GHz ist, wird im Folgenden nur auf den unter 1 GHz Bereich eingegangen. Allerdings gelten die meisten Angaben auch für die 2,4-GHz-Produkte von Texas Instruments.

Unabhängig vom gewählten Frequenzband müssen die lokalen Bestimmungen der Zulassungsbehörden eingehalten werden. In den USA geschieht dies nach den Bestimmungen der FCC, in Europa nach den ETSI-Regularien.

Die ETSI-Bestimmungen legen z.B. das Tastverhältnis (Duty Cycle) für die max. Sendedauer pro Stunde genau fest. Ebenso sind die max. Ausgangsleistung (ERP) und der Kanalabstand festgelegt.

Die Auswahl eines Transceivers hängt daher maßgeblich von dem jeweiligen Kanal des 868-MHz-Frequenzbandes ab.

Der Texas Instruments CC1100 ist ideal für Anwendungen, bei denen der Kanalabstand im Bereich von 50 bis 500 kHz [1] liegt, der CC1020 wurde hingegen für schmalbandige Kanäle von 12,5 bis 25 kHz entwickelt, wie sie typischerweise in Alarmsystemen zum Einsatz kommen.

Das LBT-Verfahren umgeht die ETSI-Bestimmung

In der Neufassung der ETSI-Spezifikation vom April 2006 wurden die max. Ausgangsleistungen zum Teil etwas angehoben, allerdings gelten nach wie vor Bestimmungen zum max. Duty Cycle. Dies kann jedoch umgangen werden, wenn vor Sendevorgängen geprüft wird, ob der Kanal tatsächlich frei ist, also kein Träger detektiert werden kann. Dieses Verfahren wird als Listen Before Talk (LBT) bezeichnet.

Um die Bestimmungen für LBT zu erfüllen, müssen Sender für eine bestimmte Zeit prüfen, ob der gewünschte Kanal nicht bereits durch andere Sender belegt ist. Diese Prüfdauer setzt sich aus einer konstanten Wartezeit von tF = 5 ms sowie einer zufälligen Zeit tPS zusammen, wobei 0 ms <= tPS <= 5 ms gilt. Somit ergibt sich für die gesamte Detektionsdauer tL = tF + tPS.

Im Falle von Acknowledgements kann jedoch sofort gesendet werden, ohne zunächst den Kanal auf einen Träger hin zu prüfen. Die max. zulässige Sendezeit liegt bei 1 s, ein Dialog darf nicht länger als 4 s dauern. Danach müssen Sender min. 100 ms ausgeschaltet bleiben.

Weiter gibt es Anforderungen an die Empfindlichkeit der Empfänger, da bei höheren Sendeleistungen auch weiter entfernte Funksysteme gestört werden könnten. Deshalb steigen die Anforderungen an die Eingangsempfindlichkeit bei Ausgangsleistungen von 27 dBm, vor allem mit zunehmender Schmalbandigkeit.

Für batteriebetriebene Anwendungen ideal geeignet

Auch wenn in einer Schaltung nur Sender vorgesehen sind, erfordert die LBT-Technik den Einsatz von Transceivern. Der CC1100-Sub-1-GHz-Transceiver der Chipcon-Reihe von Texas Instruments bietet wichtige Komponenten, die die Entwicklung vereinfachen und eine kostengünstige Umsetzung von Funkprodukten ermöglichen. So wird z.B. weder ein kostspieliger Antennenumschalter noch ein externer SAW-Filter benötigt.

Dank des Frequenzsynthesizers kommt der Transceiver mit einem einfachen 26-MHz-Quarz aus. Die umfangreiche Digitalseite des Funkbausteins erlaubt die Verwendung kleiner, kostengünstiger Mikrocontroller.

Dank einer geringen Stromaufnahmen von 28,8 mA beim Senden mit +10 dBm Ausgangsleistung, 15,6 mA im Empfangsmodus sowie lediglich 400 nA im Power-Down-Modus eignet sich der der CC1100 ideal für batteriebetriebene Applikationen.

Zusätzlich kann im Burst-Modus mit hohen Datenraten gearbeitet werden, um die Sendedauer und damit den Stromverbrauch zu minimieren. Mit der Wake-on-Radio-Funktion lässt sich der Empfänger automatisch in bestimmten Zeitabständen einschalten. Auf diese Weise erkennt der CC1100 Übertragungen, ohne sich dazu ständig im RX-Modus zu befinden – der Stromverbrauch sinkt damit auf nur 1,8 µA [2].

Die Datenraten sind zwischen 1,2 KBit/s und 500 KBit/s wählbar; die Empfindlichkeit beträgt bei 1,2 KBit/s bei rund –110 dBm.

Fehlererkennung nach CRC-16 und Fehlerkorrektur

Im Blockdiagramm des CC1100 ist der so genannte Packet Handler gut zu erkennen, der automatisch Preambel und Synchronisationswort erzeugt, die Adresse prüft und optionale Fehlererkennung wie CRC-16 und sogar Fehlerkorrektur mittels Forward-Error-Correction (FEC) durchführt. Dank des Interleavers können auch Fehler von aufeinander folgenden Bits korrigiert werden.

Mithilfe des optionalen Data-Whitenings wird die Übertragung von Datenbytes mit einer hohen Anzahl gleicher Bits optimiert. Die Länge von Datenpaketen kann selbst bestimmt werden.

Der CC1100 ist pin- und register-kompatibel mit seinem 2,4-GHz-Gegenstück, dem CC2500. Daher können mit geringem Aufwand Produktvarianten erstellt werden, wenn z. B. ein Produkt sowohl in Europa als auch in anderen Teilen der Welt verkauft werden soll.

Die Microcontrollerfamilie MSP430

Heute kommen in Mess- und Alarmsystemen wie Thermostaten oder Brandmeldern immer häufiger Mikrocontroller zum Einsatz, die im Vergleich mit analogen Komponenten eine größere Flexibilität bieten. So können beispielsweise nicht nur veränderliche Parameter wie die Alterung von Sensoren kompensiert werden, sondern sie erlauben vor allem die Vernetzung etwa über Funk.

Die Ultra-Low-Power-Microcontrollerfamilie MSP430 eignet sich aufgrund ihrer Vielfalt an analoger Peripherie und dem extrem niedrigen Stromverbrauch ideal für Messanwendungen und Alarmsysteme.

Das flexible Taktsystem des Controllers erlaubt es, die Geschwindigkeit mittels Software zwischen wenigen 100 kHz bis 16 MHz auszuwählen, abhängig von der eben benötigten Rechenleistung.

Verschiedene Low-Power-Modi ermöglichen in Kombination mit einer kurzen Aufwachzeit unter 1µs (MSP430F2xx, alle anderen Derivate unter 6 µs) einen sehr geringen Stromverbrauch.

Funkbewegungsmelder aus nur zwei Chips

In der Gebäudeautomatisierung sowie in Alarmsystemen kommen häufig PIR-basierende Bewegungsmelder zum Einsatz. Sie lassen sich mit einem MSP430 unkompliziert realisieren, da der Baustein einen 16-Bit-SD-ADC besitzt und über einen internen Programmable-Gain-Amplifier verfügt. Somit sind keinerlei externe Bausteine zur Verstärkung nötig.

Auf dieser Grundlage lassen sich Funkbewegungsmelder aus nur zwei Chips aufbauen, die so gut wie keine externen Bauelemente erfordern. Dabei werden die Chipcon-RF-Transceiver über eine SPI-Schnittstelle mit einem MSP430-Controller angesprochen.

Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus: Ein solcher Bewegungsmelder weist einen extrem geringen Stromverbrauch von nur ca. 10 µA auf.

Ein Applikationsreport inklusive Software ist über die TI Webseite erhältlich [3].

Controller mit zwei integrierten Operationsverstärkern

Ein weiteres Beispiel: Ein intelligenter Rauchmelder mit Funkanbindung. Die meisten Brandmelder verfügen über eine optische Kammer, in der bei Rauch das Licht einer LED abgelenkt und auf eine Photodiode reflektiert wird. Dieser Lichteinfall verursacht einen geringen Strom in der Diode, der über einen Transimpedanzverstärker in eine Spannung übersetzt wird.

Ein solcher Verstärker besteht typischerweise aus ein oder zwei Operationsverstärkern. Daher benötigt auch ein auf einem Mikrocontroller basierender Melder eine bestimmte Anzahl von Bausteinen.

Um die Zahl der externen Komponenten zu reduzieren, hat Texas Instruments vor kurzem die MSP430F22x4-Reihe vorgestellt, die über zwei integrierte Operationsverstärker verfügt (siehe Blockdiagramm). Die beiden Verstärker können leicht in Software konfiguriert und somit unter anderem intern mit dem ADC verschaltet werden (invertierend, nicht-invertierend, als Differenzverstärker, als Gleichtaktverstärker oder als Komparator) oder direkt an die externen Pins des Controllers gelegt werden, um sie als externe Verstärker an anderer Stelle zu verwenden.

VLO weckt den Controller wieder auf

Auf Basis des MSP430F22x4 lassen sich nicht nur intelligente Rauchmelder entwickeln: Ebenso einfach können Glasbruchmelder realisiert werden, bei denen die Operationsverstärker intern der aktiven Filterung dienen [4]. In beiden Fällen wird nicht einmal ein Quarz benötigt, selbst wenn der MSP430 in den verschiedenen Low-Power-Modi betrieben wird und periodisch aufgeweckt werden muss.

Dies ist möglich, da neben dem digitalen Hauptoszillator (DCO, liefert bis zu 16 MHz) ein Very-Low-Power-Oszillator (VLO) implementiert wurde, der den MSP430 in bestimmten Zeitintervallen aktiviert [5].

Dies spart Kosten und steigert die Zuverlässigkeit des Systems. Zusätzlich wird der Stromverbrauch im Standby-Modus auf nur 700 nA gesenkt.

Dies schließt die Brown-Out-Reset (BOR)-Schutzschaltung ein: Sollten Daten über einen Bus an den MSP430 geschickt werden, spielt es keine Rolle, ob sich der Controller bereits im aktiven Modus befindet oder komplett ausgeschaltet ist (Power-Down-Modus), da er in weniger als 1 µs wieder die volle Rechenleistung zur Verfügung stellt. Somit besteht keine Gefahr, die ersten Bits einer Übertragung zu verlieren.

Referenzdesigns stellen optimale Antennenanpassung sicher

Bei der Entwicklung des Funkteils für ein neues Produkt sollten sich Entwickler an die von Texas Instruments bereitgestellten Referenzdesigns (für zweiseitige Leiterplatten) halten [6]. Das jeweilige Design sollte exakt kopiert werden, um die volle Leistungsfähigkeit des RF-Teils zu gewährleisten.

Dies betrifft nicht nur die genaue Position der Komponenten und deren Werte, sondern auch die Anordnung der Leiterbahnen sowie deren Abstand auf der Platine. Sie wurden auf Basis von Simulationen gewählt, um eine optimale Antennenanpassung sicherzustellen.

Die Entkopplungskondensatoren sollten sich so nah wie möglich am RF-Chip befinden. Wichtig sind auch die Durchkontaktierungen zur Masse auf der Unterseite der Platine: Ein Ground-Layer muss unter dem gesamten RF-Teil der Schaltung vorhanden sein. Zusätzlich müssen Durchkontaktierungen zum Power-Pad des Transceivers sichergestellt werden.

Softwarebibliothek unterstützt alle Hardwarefunktionen

Die Softwareentwicklung sollte mit der SPI-Verbindung zwischen dem MSP430 Microcontroller und dem Chipcon-Transceiver beginnen. Dies wird durch eine Hardware-Abstraction-Layer-Softwarebibliothek vereinfacht, die auf der TI Webseite zum Download bereit steht [7]. Sie unterstützt alle Hardwarefunktionen, die benötigt werden, um Datenpakete zu senden bzw. zu empfangen. Unterstützt werden Lese- und Schreibzugriffe auf die Register der CC1100/CC2500 Serie.

Eine kleine Demo-Applikation ist ebenso enthalten. Die Bibliothek kann universell auf alle derzeit verfügbaren MSP430 Derivate angewendet werden, unhabhängig vom jeweiligen Kommunikations-Interface. Auch Bit-Banging ist möglich.

Kostenloses Softwarekit vereinfacht die Transceiver-Konfiguration

Ein weiterer wichtiger Teil der Entwicklung ist die korrekte Konfiguration des Transceivers, die eine Vielzahl von Registereinstellungen zu Frequenzbestimmung, Datenraten, Ausgangsleistung usw. erfordert. Dafür stellt Texas Instruments das kostenlose Softwarekit SmartRF-Studio bereit, das anhand der gewünschten Einstellungen automatisch die entsprechenden Registerwerte generiert und die Werte der externen Passivkomponenten berechnet. SmartRF-Studio kann zudem Code generieren, der sich direkt in C-Projekte einbinden lässt.

Wird das Softwarekit zusammen mit der entsprechenden SmartRF-04EB-Entwicklungs-Hardware verwendet, kann das angeschlossene RF-Evaluierungsmodul (EM, z. B. das CC1100EM) direkt vom PC aus angesprochen werden, wobei einfache Performance-Tests möglich sind.

Die MSP430-Familie

Die MSP430-Plattform von Texas Instruments umfasst eine Reihe unterschiedlicher Mikrocontroller, die für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch optimiert sind. Der Controller ist in zahlreichen Varianten mit diverser Peripherie verfügbar. Typische Anwendungen sind Geräte mit Langzeitbatterie, bei denen analoge Signale in digitale Werte umgewandelt und verarbeitet werden sollen, etwa um sie auf einem Display anzuzeigen oder an ein Host-System zu übermitteln, wie z.B. Wärmezähler, Heizkostenverteiler oder Mess- und Alarmsysteme.

Die Architektur baut auf einer 16-Bit-RISC-MCU mit 16-Bit-Registern auf. Die Instruktionszyklen betragen 62,5 ns. Die Bausteine der MSP430-Plattform verfügen über einen digitalen Hauptoszillator (DCO), der sie in weniger als 1 µs aus einem der 5 Stromsparmodi aktiviert. Die Spannungsversorgung liegt zwischen 1,8 bis 3,6 V. Im aktiven Modus verbrauchen die Bausteine 220 µA bei 1 MHz und 2,2 V; im Standby-Modus o,5 µA und im Off-Modus 0,1 µA. Die internen Taktfrequenzen der verschiedenen Varianten gehen bis max. 16 MHz. Sie verfügen je nach Modell über integrierte 16-Bit-Timer, Analog-Komperatoren, A/D-Konverter oder Sigma-Delta-A/D-Konverter und andere Leistungsmerkmale. Darüber hinaus werden zur Kommunikation SPI- oder I2C-Schnittstellen bereitgestellt.

Texas Instruments, Tel. +49(0)8161 803311

Literatur

[1] Morten Engjom, Texas Instruments, „Using CC1100/CC1150 in European 433/868 MHz bands“, application report SWRA054, Januar 2006

[2] Siri Namtvedt, Texas Instruments, „CC1100/CC2500 – Wake-On-Radio”, application report SWRA126, Januar 2007

[3] Zack Albus, Texas Instruments, „Ultra-Low Power Motion Detection using the MSP430F2013“, application report SLAA283, Dezember 2005

[4] Robin Kammel, Kripasagar Venkat, Texas Instruments, „A simple Glass Breakage Detector using the MSP430“, application report SLAA351, November 2006

[5] Texas Instruments, „MSP430x2xx Family User‘s Guide (Rev. B)“, SLAU144b, April 2006

[6] Texas Instruments, „CC1100EM 868-915MHz Reference Design 2.0“, reference design SWRR038, Mai 2006

[7] Keith Quiring, Texas Instruments, „MSP430 Interface to CC1100/2500 Code Library“, application report SLAA325, Juli 2006

*Markus Pfeiffer ist MSP430 Business Development Manager für den Industriemarkt in EMEA bei Texas Instruments Deutschland in Freising.

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