IoT ist für jedermann verfügbar

Die Technologien dieser Welt verändern sich heutzutage schneller denn je, und neue Technologien für kabellose Anwendungen werden immer schneller entwickelt. Das Internet der Dinge führt in beinahe allen Bereichen unseres Lebens zu Innovationen. Schon das bloße Verbinden der „Dinge“, die noch nie zuvor verbunden waren, führt zu neuen Einblicken in Daten, die wiederum zu bedeutenden Veränderungen führen. Das IoT ist ein technologischer Megatrend, der nicht nur einen Härtetest für Altsysteme darstellt, sondern der auch das Schicksal kleiner und großer Unternehmen in vielen verschiedenen Branchen mitbestimmen wird. Schätzungen zufolge werden bis Ende 2020 50 Milliarden und bis 2025 100 Milliarden Geräte mit dem IoT verbunden sein.

Mit der Anpassung der Übertragungsstandards an IoT-Geräte (IoT: Internet of Things) war es für Fans kabelloser Anwendungen nie einfacher, sich an die Gestaltung neuer Modulationsschemata zu wagen. Inzwischen sind zudem zahlreiche neue Sensoren verfügbar, die mit drahtloser Vernetzung kombiniert werden können. Diese Technologien sind auch für immer mehr Menschen verfügbar. In diesem Artikel wird über jede dieser Entwicklungen gesprochen und darüber, wie jeder diese kostengünstige und allgegenwärtige Technologie jetzt in die Hände bekommen kann.

LPWAN-Funktechnologien (Low Power Wide Area Network) sind bereits seit mehreren Jahren in der Infrastruktur von Mobilfunknetzen verfügbar. Das NB-IoT (schmalbandiges IoT), LTE-M und LTE-MTC (Long Term Evolution Machine Type Connection) sowie die verbesserte eMTC (Enhanced Machine Type Communication) sind sehr beliebt. Der Vorteil dieser Technologien besteht darin, dass vorhandene Funkmasten genutzt werden können, die derzeit für Sprachverbindungen und Übertragungen mit hoher Bandbreite eingesetzt werden. Ein Gerät, das nur gelegentlich Mitteilungen sendet und wenig Steuerung erfordert, benötigt keine hohe Bandbreite. Da viele dieser Geräte zudem batteriebetrieben sind, wurden Standards für geringe Leistungen und geringe Bandbreiten zur Unterstützung dieser Technologiestandards erforderlich.

Andere Technologien, die nicht innerhalb bestehender Mobilfunknetze funktionieren und für die neue Infrastrukturen angelegt werden müssen, sind Sigfox, LoRa/LoRaWAN, NB-Fi usw. Der Nachteil dieser Technologien besteht darin, dass sie einen Uplink für die Anbindung an das Internet erfordern. Netzbetreiber bieten diesen Uplink zwar als Service an, dennoch handelt es sich um ein zusätzliches Computernetzwerk, das berücksichtigt werden muss.

Bei den Betreibern der Mobilfunknetze handelt es sich um große Unternehmen. Daher ist es wenig wahrscheinlich, dass es diesbezüglich zu einem effektiven Wettbewerb kommen wird. Die beste Lösung besteht darin, im Rahmen monatlich bezahlter Verbrauchspläne „Zeit“ in ihren Netzen zu erwerben und Modems zu nutzen, die ihren Standards entsprechen.

Diese von Mobilfunknetzen abweichenden Netze können mit überschaubaren Mitteln ausgebaut werden, sind jedoch in Bezug auf die von ihnen abgedeckten Bereiche sehr eingeschränkt. Unabhängig davon gibt es viele Fälle von Netzwerken, die keine weltweite Vernetzung erfordern. Ein Beispiel dafür ist eine Industriehalle mit Montage- und Produktionssensoren. Tatsächlich sollte das Netzwerk bei diesen Anwendungen isoliert sein.

Die gute Nachricht ist, dass der Zugang zu Mobilfunknetzen und die Chips und Module für den Aufbau eines Niedrigstromnetzes verfügbar sind und Netzwerkdatenpläne nur 3,00 USD pro Monat kosten können. Dafür benötigen Sie lediglich ein von einem Mobilfunkanbieter zugelassenes Modem und Ihr Gerät kann online mit der ganzen Welt verbunden werden.

Bei elektronischen Lösungen in Form von Modulen wird auch weiterhin ein rapides Wachstum verzeichnet. Anstatt Fachwissen für das Design auf Chipebene zu erlernen, kann ein Designer eine bereits fertige und zertifizierte Funkkomponente verwenden. Dadurch werden nicht nur die erforderlichen HF-bezogenen technischen Fertigkeiten reduziert, Sie können Produkte auch schneller vermarkten. Bei einer kürzlich durchgeführten Bestandsaufnahme der Chips, die in den Modulen verwendet werden, und nach einem Blick auf den jeweiligen Kundentyp war es überraschend zu sehen, dass Unternehmen mit dem nötigen Know-how nicht nur die gleichen Chips kauften, die in den Modulen verwendet werden, sondern auch die Module, und beide wurden in Mengen von Tausenden von Einheiten - Produktionsmengen - gekauft. Dies unterstützt die Vorstellung, dass es besser sein kann, frühzeitig mit einem weniger kostenoptimierten Produkt auf den Markt zu kommen, um den Markt für ein neues Produkt zu testen, als von Anfang an ein kostenoptimiertes Produkt zu entwerfen. Wenn der getestete Markt groß genug ist, kann das Produkt dann bis auf die Chip-Ebene kostenoptimiert werden. Aber es gibt eine Ebene, die noch niedriger liegt als die der Chips und die ich als Wellenform-Ebene bezeichne.

Mit SDRs (Software Defined Radios) können Entwickler mit komplett neuen Modulationsschemata experimentieren. Wenn ein spezieller Bedarf besteht und der Konstrukteur über das entsprechende Fachwissen verfügt, kann ein proprietärer Funkstandard entwickelt werden. Und auch wenn Sie nicht über das nötige Fachwissen verfügen, können Sie durch das Experimentieren mit einem SDR viel lernen, und es macht Spaß. Beispielsweise besitzt ein Kollege des Autors dieses Artikels ein Patent auf die Dekodierung von FM-Stereosendungen durch Interpolation des Wertes des Basisbandsignals genau zu dem Zeitpunkt, zu dem das Signal der linken oder rechten Wellenform entspricht, und ohne Taktsynchronisierung des Systems mit dem HF-Träger. Dabei handelt es sich um einen Software-Ansatz zur Zerlegung zusammengesetzter Signale, und all dies kann heute in einem SDR implementiert werden. Dieses Patent ist fast 30 Jahre alt und es war eine Herausforderung, es zu entwickeln. Mit handelsüblichen SDRs ist das heute einfach zu bewerkstelligen.

Ein solches SDR ist das „Advanced Learning Module PLUTO“ (ADALM-PLUTO) von Analog Devices, das ab September 2020 für rund 150 USD ab Lager lieferbar ist. Sie werden über eine USB-Verknüpfung mit einem PC verbunden, beinhalten ein leicht konfigurierbares FPGA und bieten umfangreiche Unterstützung für die Programmiersprache Python. Sie können zudem Signale über einen Bereich von 325 MHz bis 3,8 GHz senden und empfangen. Wenn ein Entwickler HF wirklich kennen und nutzen möchte, kann er auf dieser Ebene beginnen.

Zurück zur Idee der spezifischen Produkte: Sensoren in Form von Chips und Modulen breiten sich zunehmend aus. Es gibt buchstäblich Hunderttausende von verschiedenen Sensoren, die bei Distributoren erhältlich sind. Digi-Key allein bietet mehr als 210.000 verschiedene Sensoren an.

Hier sind einige der verfügbaren Sensortypen:

• Näherungssensoren
• Sensoren, Wandler - Temperatursensoren - Analog- und Digitalausgang
• Sensoren, Wandler - Spezialsensoren
• Sensoren, Wandler - Gassensoren
• Sensoren, Wandler - Positionssensoren - Winkel-, lineare Positionsmessung
• Sensoren, Wandler - Drucksensoren, -wandler
• Sensoren, Wandler - Luftfeuchtigkeits-, Feuchtesensoren
• Sensoren, Wandler - Stromsensoren
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Umgebungslicht-, IR-, UV-Sensoren
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Entfernungsmessung
• Entwicklungsboards, -kits, Programmierer
• Sensoren, Wandler - Magnetsensoren - Position, Näherung, Geschwindigkeit
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Fotoelektrisch, industriell
• Sensoren, Wandler - Bewegungssensoren - Beschleunigungsmesser
• Sensoren, Wandler - Bildsensoren, Kamera

Jeder dieser Sensoren oder jede Kombination dieser Sensoren kann in ein Produkt integriert werden, das über verschiedene drahtlose Netzwerkoptionen mit dem Internet verbunden werden kann.

Zum Beispiel kann ein Online-Projekt, das die Internetverbindung einer „Jalousiesteuerung“ zeigt, auf maker.io unter „TMC5161 von Trinamic + AVR-IoT WG von Microchip + IoT Studio Temp“ von Digi-Key gefunden werden. (Abbildung 1).

Abbildung 1: Projekt zur Fernsteuerung von Fensterjalousien, wie im maker.io-Projekt „Kickstart and Innovate your blinds control design“ beschrieben. (Bildquelle: maker.io)

Das Entwicklungskit von Microchip Technology ist auf intelligente IoT-Heimautomationsanwendungen ausgerichtet und weitere Details finden Sie hier: IoT Home Automation Evaluation Kit (Abbildung 2).

Abbildung 2: Evaluierungskit für die IoT-Heimautomatisierung von Microchip (Bildquelle: Microchip)

Zusammenfassung

Jeder hat Zugang zum IoT, und die in diesem Artikel besprochenen Entwicklungskits sind nur eine Auswahl der Werkzeuge, die IoT-Designern zur Verfügung stehen.

Abschließend wünsche ich Ihnen allen viel Spaß beim Entwickeln und viel Erfolg dabei, Ihre vernetzten Geräte in das Internet der Dinge zu integrieren.