Willkommen in der Welt der Wireless-Optionen: HF-Bänder und Protokolle für Entwickler von Embedded-Systemen, Teil 2

Anmerkung des Herausgebers: In Teil 1 dieser zweiteiligen Artikelserie ging es um die verschiedenen Wireless-Connectivity-Optionen, die den Entwicklern von Embedded-Systemen zur Verfügung stehen – mit einigen einschlägigen Beispielen. Hier in Teil 2 werden die Merkmale von Wireless-Modulen und ihr effektiver Einsatz besprochen.

Durch die rasante Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) und der künstlichen Intelligenz (KI) wächst der Bedarf an drahtloser Systemkonnektivität. Entwickler müssen das richtige Protokoll wählen und die Anbindung schnell und kostengünstig entwickeln. Zur Unterstützung gibt es zwar viele Wireless-Module, dennoch müssen Entwickler einen logischen Auswahl- und Integrationsprozess durchlaufen, um den Erfolg des Entwurfs sicherzustellen.

In diesem Artikel wird ein vierstufiger Prozess für die Auswahl und Implementierung eines geeigneten Wireless-Protokolls und -Moduls für eingebettete Anwendungen beschrieben. Er umfasst folgende Schritte:

1. Auswahl von Wireless-Schnittstelle und -Protokoll auf Basis von Bandbreiten-, Reichweiten- und Kostenanforderungen
2. Entscheidung, ob das Wireless-Modul über die Implementierung des Wireless-Protokolls hinaus Verarbeitungsfunktionen für die eingebettete Anwendung umfassen soll
3. Ermittlung der E/A-Anforderungen für das Wireless-Modul oder den Chip
4. Auswahl des geeigneten Moduls oder Chips auf Basis der in den ersten drei Schritten getroffenen Entscheidungen

Der Artikel enthält Beschreibungen von sechs Wireless-Modulen, die als repräsentative Stichprobe aus den vielen Angeboten ausgewählt wurden und die bei der Entwicklung von drahtlos angebundenen Embedded-Systemen in Frage kommen.

Schritt 1: Auswahl des Wireless-Protokolls

Einige der gängigsten Wireless-Protokolle sind in einem einfachen Koordinatensystem mit Bandbreite und Reichweite dargestellt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine konzeptionelle Darstellung der Reichweite (in Metern zu Kilometern) gegen die Bandbreite (in Bit pro Sekunde zu Megabit pro Sekunde) (Bildquelle: DigiKey)

Dieses einfache Diagramm ermöglicht ein schnelles Sichten von Optionen gestützt auf Reichweiten- und Bandbreitenanforderungen. Die Protokolle auf der linken Seite – Wi-Fi, Bluetooth und Bluetooth LE (Low Energy) – bieten einen Durchsatz von Hunderten von Kilobit pro Sekunde (Kbit/s) bzw. Megabit pro Sekunde (Mbit/s) über Reichweiten im zweistelligen Meterbereich (m). Diese Protokolle eignen sich am besten für gebäudeinterne Netzwerke. Die Protokolle auf der rechten Seite übertragen Daten über Distanzen von mehreren Kilometern. Sie eignen sich für Embedded-Geräte, die über einen Campus oder eine Stadt verstreut installiert sind.

Module, die Wi-Fi, Bluetooth und Bluetooth LE (oder eine Kombination davon) implementieren, verfügen häufig über integrierte Antennen. Die integrierte Antenne des WiFi/Bluetooth/Bluetooth LE-Moduls Adafruit 3320 ist beispielsweise deutlich zu erkennen (Abbildung 2). Es ist das mäandernde Gebilde oben auf der Platine.

Integrierte Antennen vereinfachen die Entwicklung drahtlos vernetzter Embedded-Systeme erheblich, weil die komplexe Entwicklung der Antenne bereits erfolgt ist.

Abbildung 2: Das WiFi/Bluetooth/Bluetooth LE-Modul 3320 von Adafruit operiert mit Datenraten von bis zu 150 Megabit pro Sekunde. (Bildquelle: Adafruit)

Dieses Modul ist für die Montage auf einer Platine ausgelegt und erfordert zusätzliche Schaltkreise. Daher eignet es sich vielleicht nicht optimal für die Entwicklung eines Prototyps. Das auf eine kleine Platine aufgelötete Modul ist als Entwicklungskit erhältlich – das ESP32-DEVKITC von Espressif Systems (siehe Abbildung 3). Beim ESP32-DEVKITC führen alle Modul-Pins zu 0,1-Zoll-Steckleisten. Es umfasst einen seriellen USB/TTL-Adapterchip, Tasten für Programmierung und Reset sowie einen eigenen 3,3-Volt-Spannungsregler.

Abbildung 3: Beim ESP32-DEVKITC von Espressif Systems führen alle Pins des Adafruit 3320-Moduls zu 0,1-Zoll-Steckleisten. Es umfasst einen USB/TTL-Seriell-Adapterchip, Tasten für Programmierung und Reset sowie einen eigenen 3,3-Volt-Spannungsregler. (Bildquelle: Espressif Systems)

Wireless-Protokolle für große Reichweiten und Onboard-Antennen sind nicht zusammen zu haben

Die Langstrecken-Datenübertragung über Funknetzwerke erfordert externe Antennen – mit bestimmten Komplikationen als Begleiterscheinung. Der SX1276MB1LAS der Semtech Corp. ist beispielsweise ein LoRa-Transceiver, der zwei SMA-Anschlüsse für das Anbringen von Hoch- und Niederfrequenzantennen bietet (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das LoRa-Transceiver-Modul SX1276MB1LAS von Semtech hat zwei SMA-Anschlüsse für das Anbringen von Hoch- und Niederfrequenzband-HF-Antennen. (Bildquelle: Semtech Corp.)

Die beiden Antennenanschlüsse werden benötigt, damit das Modul das 433-MHz- und das 915-MHz-Frequenzband, das in den USA für die LoRa-Datenübertragung genutzt wird, getrennt bedienen kann. Das Modul besitzt ein Link-Budget von maximal 168 dB und damit eine Reichweite von mehreren Kilometern. Ein Teil dieses Link-Budgets wird jedoch von den Koaxialkabeln und den SMA-Anschlussteilen zwischen dem Modul und der externen Antenne aufgebraucht.

Als Hilfe beim Einstieg in die Entwicklungsarbeit bietet Semtech zudem das auf dem LoRa-Transceivermodul SX1276MB1LAS basierende Entwicklungskit SX1276DVK1JAS. Das Kit umfasst zwei LoRa-Transceiver, zwei Eiger-Plattformen, zwei Mini-USB-Kabel, zwei Touchscreen-Stifte und Dipol-Antennen für das Hoch- und Niederfrequenzband.

Das Digi-XBee-LTE-Cat-1-Funkmodem XBC-V1-UT-001 von Digi International benötigt ebenfalls eine externe Antenne und arbeitet mit einem ähnlichen, aber geringfügig anderen Antennenanschlusskonzept (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Das XBee-LTE-Cat-1-Funkmodem XBC-V1-UT-001 von Digi International verbindet ein Embedded-System mit dem Mobilfunknetz von Verizon. (Bildquelle: Digi International)

Das Digi-Modem besitzt zwei U.FL-Subminiatur-HF-Anschlussteile für den Anschluss der primären und sekundären LTE-Antenne. Die primäre Antenne ist obligatorisch. Die sekundäre Antenne verbessert unter bestimmten Umständen die Empfangsleistung und wird von Digi empfohlen. Die Antennen sollten mit möglichst großem Abstand vom Funkmodem-Modul (und anderen Metallgegenständen) positioniert werden. Wenn Primär- und Sekundärantenne installiert sind, müssen Sie zur Optimierung der Ergebnisse im rechten Winkel zueinander ausgerichtet werden.

Schritt 2: Ist im Wireless-Netzwerkmodul die Verarbeitung von Anwendungen erforderlich?

Manche Wireless-Netzwerkmodule haben eigene Prozessoren, andere nicht. Wenn das in der Entwicklung befindliche Embedded-System bereits einen Prozessor enthält, wird u. U. kein weiterer programmierbarer Prozessor auf dem Wireless-Netzwerkmodul benötigt. Wenn das Wireless-Modul den Anwendungscode des Embedded-Systems ausführen muss, müssen die verfügbaren Programmiertools und die Ausführungsfunktionen des Moduls beim Entscheidungsprozess berücksichtigt werden. Durch Nutzung des eigenen Prozessors der Wireless-Netzwerkmodule für die Ausführung der Embedded-Anwendung lässt sich definitiv Platz auf der Platine sparen. Zudem kann es die Entwicklung der Hardware vereinfachen und die Materialkosten verringern.

Einige der oben vorgestellten Module implementieren eine komplette Programmierumgebung. Beim oben erwähnten XBee-Funkmodem XBC-V1-UT-001 von Digi gibt es eine eigene MicroPython-Umgebung zur Nutzung der Rechenkapazität des Modems für einfache Anwendungen. So können beispielsweise die Signale von an die digitalen und analogen E/A-Pins des Moduls angeschlossenen Sensoren gelesen, verarbeitet und übertragen werden. Aktuatorbefehle können empfangen und ausgeführt werden. Das Modul besitzt 13 digitale E/A-Pins und vier analoge 10-Bit-Eingangspins. Bei batteriebetriebenen Embedded-Systemen auf Basis des Modems kann MicroPython zudem die Energieverwaltung unterstützen.

Die Programmierung erfolgt durch Anschluss des XBC-V1-UT-001 an eine Digi-Schnittstellenkarte des Typs XBIB-U-DEV, Anschluss eines PC an die Schnittstellenkarte per USB-Kabel und anschließendes Ausführen eines Terminal-Programms. In der XCTU-Konfigurations- und Test-Utility-Software von Digi ist ein MicroPython-Terminal-Programm enthalten. Das Modul XBC-V1-UT-001 verfügt über 24 KB RAM und 8 KB Flash-Speicher zur Datenspeicherung.

Andere Wireless-Netzwerkmodule bieten noch mehr interne Rechenkapazität. So bietet das in Schritt 1 besprochene WiFi/Bluetooth/Bluetooth LE-Modul im ESP32-DEVKITC-Entwicklungskit von Espressif Systems zwei 32-Bit-Xtensa-LX6-RISC-Prozessorkerne, die jeweils mit 160 MHz getaktet sind. Einer dieser Prozessoren ist gemäß Konvention der „Protokoll“-Prozessor und der andere der „Anwendungs“-Prozessor. Beide haben jedoch Zugriff auf alle auf der Platine befindlichen Ressourcen. Für die meisten Embedded-Anwendungen reicht diese Rechenleistung völlig aus.

Schritt 3: Ermittlung der E/A-Anforderungen für das Wireless-Modul oder den Chip

Unabhängig davon, ob das Wireless-Netzwerkmodul die Embedded-Anwendung intern ausführt oder nicht, muss es sich wahrscheinlich mit einer anderen Komponente im Embedded-System verbinden: entweder mit einer Host-CPU innerhalb des Embedded-Systems oder direkt mit Sensoren und Aktuatoren. Möglicherweise auch beides.

Die einfachste Möglichkeit dafür ist ein Plug-and-Play-Konzept. Sie schließen ein Modul an, laden die Treiber und los geht‘s. Die 802.11b/g/n-Mini-PCIe-Karte EWM-W151H01E von Advantech Corp wird an eine Mini-PCIe-Buchse angeschlossen und kommuniziert per PCIe mit einer Host-CPU (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Mini-PCIe-Karte EWM-W151H01E 1T in Halbgröße von Advantech implementiert die Wi-Fi-Standards auf Basis von IEEE 802.11b/g/n. (Bildquelle: Advantech Corp.)

Zum Einstieg in die Entwicklungsarbeit mit der EWM-W151H01E laden Sie die Windows- (7, 8 oder 10) bzw. Linux-Treiber. Anschließend kann das Embedded-System an bestehende WiFi-Systeme angeschlossen werden und mit bis zu 150 Mbit/s Daten übertragen. Aufgrund ihres Formfaktors und von Treibern für Windows und Linux eignet sich diese Mini-PCIe-Steckkarte ideal für Embedded-Designs für PCs (x86-Prozessor).

In den Erläuterungen zum ESP32-DEVKITC von Espressif Systems wurden die analogen Eingänge und einfachen digitalen E/A-Pins am Modul erwähnt, über die Sensoren und Aktuatoren angebunden werden können. Das Modul bietet jedoch noch komplexere serielle Schnittstellen, darunter drei UARTs, zwei I²C-Ports, drei SPI-Ports und zwei I²S-Ports. Sie ermöglichen den Anschluss einer Vielzahl von Peripheriegeräten und können als Schnittstelle zu einer Host-CPU genutzt werden. Hier einige Details zu diesen Anschlüssen:

• Die UARTs des Moduls besitzen eine maximale Übertragungsrate von 5 Mbit/s.
• Ihre I²C-Ports unterstützen Übertragungsraten von 100 Kbit/s (Standardmodus) und 400 Kbit/s (Schnellmodus).
• Ihre I²S-Ports unterstützen Übertragungsraten von 40 Mbit/s.
• Ihre SPI-Ports unterstützen Übertragungsraten von 50 Mbit/s.

Wenn das Modul mit dem am besten geeigneten Protokoll nicht die benötigten E/A-Fähigkeiten mitbringt, muss das Embedded-System noch um einen E/A-Erweiterungschip ergänzt werden, der mehr Platz benötigt, die Leistungsaufnahme nach oben treibt, die Programmierung komplizierter macht und die Materialkosten erhöht. Viel besser ist es, nach Möglichkeit alles mit einem Wireless-Netzwerkmodul zu realisieren.

Schritt 4: Auswahl und Implementierung

An diesem Punkt des Prozesses müssen sich die Wahlmöglichkeiten auf einige wenige Optionen oder sogar nur eine Option verringert haben. Die Bandbreiten- und Reichweitenanforderungen müssten das Feld auf ein oder zwei geeignete Protokolle eingeengt haben. Wenn das Wireless-Modul eigene Rechenleistung zur Verarbeitung von Anwendungen bieten und diese einen bestimmten Umfang haben muss, entfallen wiederum einige Wahlmöglichkeiten. Und auch die E/A-Anforderungen müssten die in Frage kommenden Optionen auf einige wenige einschränken. An dieser Stelle hat sich ein Kandidat herauskristallisiert oder es gibt einige wenige gute Kandidaten. In diesem Fall greifen als Auswahlkriterien die Vertrautheit oder die Einfachheit der Implementierung.

Fazit

Der Bedarf an Wireless-Konnektivität für Embedded-Systeme wächst ungebrochen. Die große Anzahl an verfügbaren Protokollen kann für manchen Embedded-Entwickler auf den ersten Blick verwirrend sein, aber jedes Protokoll besetzt mit seiner Reichweite/Leistung/Datenrate eine Nische. So gesehen vereinfacht das die Auswahl enorm.

In diesem Artikel wurde ein vierstufiger Prozess für die Auswahl des geeigneten Wireless-Moduls aus Dutzenden, wenn nicht Hunderten von angebotenen Modulen beschrieben:

1. Auswahl des Wireless-Protokolls auf Basis von Bandbreiten-, Reichweiten- und Kostenanforderungen
2. Entscheidung, ob das Wireless-Modul über die Implementierung des Wireless-Protokolls hinaus Verarbeitungsfunktionen für die eingebettete Anwendung umfassen soll
3. Ermittelung der E/A-Anforderungen für das Wireless-Modul oder den Chip
4. Auswahl des entsprechenden Moduls oder Chips auf Basis der in den ersten drei Schritten getroffenen Entscheidungen

Unabhängig von der Anwendung gibt es mit Sicherheit mindestens ein standardisiertes Wireless-Protokoll und mehrere dazu passende Module, die die Anforderungen gut erfüllen.