Konnektivität Wie Smartphones Elektrogeräte steuern

Autor / Redakteur: Claire Steed * / Margit Kuther

Der Funktionsumfang von Elektrokleingeräten steigt stetig, was immer größere Displays und Steuerelemente erfordert. Gleichzeitig sinkt der Gerätepreis. Die Lösung: externe Steuerung via Smartphone.

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Duo: SAM L21 Xplained Pro Evaluation Kit (links) mit dem Bluetooth-LE-4.1-konformen SoC ATBTLC1000
Duo: SAM L21 Xplained Pro Evaluation Kit (links) mit dem Bluetooth-LE-4.1-konformen SoC ATBTLC1000
(Bild: Atmel)

In dem sich rasch verändernden Markt für Konsumgüter werden Elektrokleingeräte immer komplexer und verfügen über interessante neue Merkmale, um die Endanwender zu überzeugen und sich von Wettbewerbsprodukten zu unterscheiden.

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Gleichzeitig stehen die Hersteller durch den Preiskampf auf dem Markt unter einem hohen Druck und müssen ihre Materialkosten möglichst niedrig halten. Dies führt zu einem grundsätzlichen Konflikt: Einerseits benötigt der Endbenutzer eine umfassende Bedienoberfläche für diese zusätzliche Funktionalität in Form von Navigationsmenüs, andererseits ist diese Unterstützung größerer interaktiver Displays, physischer Tasten und Steuerelemente mit erheblichen Kosten und logistischem Aufwand verbunden.

Dies lässt sich an folgendem Beispiel verdeutlichen: ein Unternehmen für Consumer-Elektronik will einen neuen Toaster auf den Markt bringen. Das Gerät soll neben der Anzeige verschiedener Toastfunktionen auch mehrere Benutzereinstellungen speichern und anpassbare Meldungen nach Abschluss des Toastvorgangs darstellen können.

Diese, aus einer Marketingperspektive interessanten Merkmale, erfordern normalerweise ein großes und robustes Display sowie hitzebeständige Bedienelemente, die zudem gegenüber den in einer Küche vorhandenen Herausforderungen wie Flüssigkeiten und Fett unempfindlich sind.

Smartphones und Tablets steuern Elektrogeräte

Es gibt jedoch einen alternativen Ansatz: Heute ist die Verbreitung von Smartphones und Tablets ausreichend hoch, um davon ausgehen zu können, dass jeder Haushalt Zugriff auf eines oder mehrere Geräte hat.

Anstatt die Kosten und die technische Herausforderung für die Integration von Bildschirm und Tasten zu übernehmen, kann der Hersteller die bereits vorhandenen Geräte nutzen. Das Haushaltsgerät, in diesem Fall der intelligente Toaster, wird dann so ausstattet, dass es mit dem Anwender über eine kundenspezifische Smartphone/Tablet-App kommunizieren kann.

Eine Verbindung lässt sich beispielsweise über Bluetooth Low Energy (BLE) herstellen. Die Integration eines BLE-Bauteils in ein Kleingerät wirkt sich nur minimal auf die Materialkosten aus, und bringt dabei zusätzliche Vorteile wie einen niedrigeren Stromverbrauch. Das SoC ATBTLC1000 von Atmel, das konform zu Bluetooth Low Energy 4.1 ist, erlaubt nicht nur einen extrem stromsparenden Betrieb, es ist außerdem auch physisch sehr klein.

Wichtige Merkmale des Atmel-SoCs ATBTLC1000

Folgende Merkmale kennzeichnen das Bluetooth-Low-Energy-4.1-konforme SoC ATBTLC1000 von Atmel:

  • Betriebsspannung: 1,8 V bis 4,3 V
  • Weniger als 1 µA Ruhestrom
  • Weniger als 3 mA / 4 mA TX/RX-Strom (@3,6 V, 0 dBm Pout).
  • Advertising Intervall 100 ms - 61,3 µA
  • Advertising Intervall 1 s - 7 µA
  • Extrem kleines Chipscale-Gehäuse 2,26 mm x 2,14 mm verfügbar

Für die Evaluierung des ATBTLC1000 kann das Erweiterungs-Evaluierungskit von Atmel, das ATBTLC1000 Xplained Pro genutzt werden. Dieses Kit enthält das BLE-Modul ATBTLC1000-MR110CA, das auf dem ATBTLC1000 basiert.

Die XPro-Erweiterung kann in allen Xplained-Pro-Evaluierungskarten eingesteckt werden, die Host-MCUs von Atmel unterstützen. Dadurch lässt sich die vorhandene Host-MCU-Plattform schnell um eine Bluetooth-Smart-Konnektivität erweitern. Durch die Unterstützung der integrierten Entwicklungsplattform Atmel Studio ermöglicht das Kit einen einfachen Zugriff auf die Funktionen des BLE-Moduls ATBTLC1000-MR110CA und erklärt, wie das Bauteil in ein kundenspezifisches Design integriert wird.

Obwohl Bluetooth 4.1 eine kostengünstige Low-Power-Lösung ist, die ganz neue Netzwerkstrukturen erlaubt, wird es hauptsächlich für eine Peer-to-Peer-Kommunikation verwendet. So ist das Haushaltsgerät nur mit dem Telefon des Anwenders verbunden, wenn es sich innerhalb dessen Reichweite befindet und Bluetooth bei beiden aktiviert ist.

Wi-Fi-Funktion für Haushaltsgeräte

Eine Alternative für die Ausstattung von Haushaltsgeräten mit Konnektivität ist das Hinzufügen einer Wi-Fi-Funktion. Dieser Ansatz bietet sowohl den Endkunden als auch den Herstellern mehrere Vorteile. Wi-Fi erlaubt eine echte IP-basierte Direktvernetzung mit einem Netzwerk-Router.

Das Haushaltsgerät kann dadurch automatisch registriert werden, über die Luftschnittstelle Software-Updates erhalten und dem Hersteller sogar Daten senden, wenn eine Wartung erforderlich ist. Zudem ist eine Fernsteuerung des Haushaltsgeräts möglich, so dass Geräte mit hohem Energieverbrauch wie Spülmaschinen oder Waschmaschinen dann laufen können, wenn die Elektrizität preiswerter ist (d.h. durch die Nutzung von kostengünstigen Nachttarifen oder von günstigem Solarstrom).

Haushaltsgeräte, die Verbrauchsmaterial wie Luftfilter enthalten, können den Anwender außerdem frühzeitig auf einen bevorstehenden Austausch hinweisen.

Wi-Fi-Konnektivität eröffnet den Herstellern auch neue Geschäftsmodelle. Teuere Elektrogeräte wie Waschmaschinen können von den Endkunden auf einer Nutzungsbasis gemietet werden. Das erlaubt dem Hersteller voraussagbare Einnahmen und den Zugriff auf viele Anwenderdaten, welche für die Verbesserung künftiger Produkte und die Weitergabe an andere Partner genutzt werden können.

Die Endkunden profitieren von niedrigen Anfangskosten und einer hohen Flexibilität, da sie die Maschine einfach erweitern oder die Anzahl der Waschvorgänge (pro Monat) erhöhen können, wenn sich die Verhältnisse im Haushalt (z. B. durch die Geburt eines Babys) ändern. Außerdem muss das gemietete Haushaltsgerät bei einem Umzug nicht mitgenommen werden.

Das Wi-Fi-Netzwerk-Controller-Modul ATWINC1500 von Atmel ist eine ideale Lösung, um Wi-Fi-Konnektivität hinzuzufügen. Wichtige Merkmale des ATWINC1500 sind: Single-Band 2,4 GHz b/g/n, eine extrem niedrige Leistungsaufnahme, eine kompakte Bauform von 33,8 mm x 14,9 mm, eine Betriebsspannung von 3,0 V bis 4,2 V, eine serielle Host-Schnittstelle SPI oder UART, unterstützte Sicherheitsprotokolle WPA/WPA2 Personal, TLS, SSL und die Netzwerkdienste DHCP, DNS, TCP/IP (IPv4), UDP, HTTP, HTTPS.

Das WINC1500 ist RoHS-konform und bietet dank FCC (USA), CE (Europa) und TELEC eine weltweite Akzeptanz.

Atmels Erweiterungskarte ATWINC1500-XPRO für die Xplained Pro Evaluierungsplattform von Atmel ermöglicht eine Evaluierung des kostengünstigen 802.11 b/g/n-Low-Power-Wi-Fi-Netzwerk-Controller-Moduls Atmel ATWINC1500.

Durch die Unterstützung der integrierten Entwicklungsplattform Atmel Studio ermöglicht das Kit einen einfachen Zugriff auf die Funktionen des ATWINC1500 und erklärt, wie das Bauteil in ein kundenspezifisches Design integriert wird.

Bluetooth und Wi-Fi in einem Controller-SoC

Obwohl Wi-Fi viele Vorteile bietet, ist vor allem die Komplexität der Bedienoberfläche für eine Verbindung mit dem gewünschten Netzwerk ein Problem. Zumindest SSID, Sicherheitseinstellungen und DHCP-Vorgaben müssen angegeben werden.

Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, sowohl Bluetooth als auch Wi-Fi in das Produkt zu integrieren. Dadurch kann Bluetooth für spezielle Menüoptionen genutzt werden, und um das Gerät einfach in das Wi-Fi-Netzwerk aufzunehmen, während die Wi-Fi-Verbindung für die Registrierung, für Verbindungen und Betrieb über größere Entfernungen, Software-Updates und eine Datenerfassung verwendet werden kann.

Atmels SmartConnect-ATWINC3400 ist ein IoT-Netzwerk-Controller-SoC nach IEEE 802.11 b/g/n und BLE4.0. Damit ist er eine ideale Erweiterung für vorhandene MCU-Lösungen, mit der sich Wi-Fi- und BLE-Netzwerkfähigkeiten über eine UART- oder SPI-Wi-Fi-Schnittstelle hinzufügen lassen.

Der ATWINC3400 lässt sich mit jeder AVR- oder SMART-MCU von Atmel verbinden, und das mit minimalen Ressourcenanforderungen. Der fortschrittlichste Modus des ATWINC3400 ist ein Single-Stream 1x1 802.11n-Modus, der einen PHY-Durchsatz von bis zu 72 Mbps zur Verfügung stellt. Zudem zeichnet sich der ATWINC3400 durch einen voll integrierten Leistungsverstärker, LNA, Switch und Leistungsmanagement aus.

Auf dem Chip enthält der ATWINC3400 außerdem einen Mikrocontroller und einen Flash-Speicher für die Systemsoftware mit integriertem Koexistenz-Mechanismus für den gleichzeitigen Betrieb von Wi-Fi und BLE. Der ATWINC3400 benötigt einzig eine externe Taktquelle in Form eines High-Speed-Quarzes oder Oszillators, der unterschiedlichste Referenztakt-Frequenzen unterstützt (zwischen 12 und 32 MHz). Erhältlich ist der ATWINC3400 in einem QFN-Gehäuse.

Wichtige Merkmale des ATWINC3400 sind: IEEE 802.11 b/g/n 20 MHz (1x1) Lösung, ein einzelner räumlicher Stream im 2,4-GHz-ISM-Band, integrierter PA- und T/R-Switch, erstklassige Empfindlichkeit und Reichweite durch fortschrittliche PHY-Signalverarbeitung, ein Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 85°C, Netzwerk-Stack auf dem Chip, um die MCU zu entlasten, integrierter Netzwerk-IP-Stack, um die Anforderungen an die Host-CPU zu minimieren und die Netzwerk-Funktionen TCP/IPv4, UDP, DHCP, ARP, HTTP, SSL und DNS.

Außerdem werden hochentwickelte Koexistenzlösungen unterstützt, die einen Betrieb von Wi-Fi und Bluetooth auf demselben Frequenzband erlauben.

Welche Konnektivität auch immer Sie in Ihr Produkt integrieren möchten, beispielsweise um eine Bedienung über ein Smartphone oder eine Vernetzung über eine größere Entfernung mittels Wi-Fi zu ermöglichen: Atmel kann intelligente Verbindungslösungen anbieten.

* * Claire Steed ...ist Senior Field Application Engineer bei Atmel

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