Lange Laufzeiten ohne Batteriewechsel Selbstorganisierendes Funknetz für batteriebetriebene Geräte

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Für ein energieeffizientes und selbstorganisierendes Funknetz nutzt IK Elektronik das freie Betriebssystem Contikio-NG. Es wurde speziell für ressourcenschonende IoT-Anwendungen entwickelt. Die Funkfrequenz ist frei wählbar und die Anzahl der Geräte unbegrenzt.

Bei der Entwicklung von Funkelektronik müssen sich die Experten von IK Elektronik überlegen, wie sich eine sichere Funkübertragung in großen Gebäuden und unter schwierigen Übertragungsbedingungen gewährleisten lässt. Diese Aufgabe ist nicht ungewöhnlich und wird bei der Kommunikation via WiFi oder DECT durch den Einsatz von Repeater gelöst, die als Steckdosenmodul am Stromnetz angeschlossen werden können. Wenn die Repeater einen minimalen Stromverbrauch haben sollen, um beispielsweise über lange Zeit batteriebetrieben und wartungsfrei zu arbeiten, gibt es keine einfache und etablierte Lösung.

Bisherige Anwendungen sind oftmals gekennzeichnet von einem hohen Stromverbrauch. Hinzu kommt, dass sie nicht batteriebetrieben und wartungsintensiv sind. IK Elektronik begann von einigen Jahren, verschiedene technische Möglichkeiten für diese Aufgabe zu recherchieren, zu testen und in Form eigener Software-Protokolle umzusetzen. Das Ergebnis ist der interne Funkstandard Variomesh als eigenständigen Softwarestack.

Entwicklung eines eigenen Funkstandards

Parallel dazu wurde die Suche nach verfügbaren Lösungen für die beschriebene Aufgabenstellung fortgesetzt. Bei den Kriterien für die Systementwicklung wurden neben den technisch notwendigen Eigenschaften auch Aspekte wie Time-to-Market, Entwicklungskosten, mögliche Lizenzkosten und die Möglichkeit der Anpassung und Weiterentwicklung des Systems bei IK Elektronik berücksichtigt.

Die steigenden Anforderungen, vor allem im Smart Home und Smart Metering, bei der Vernetzung von Sensoren und der Realisierung von Schnittstellen zur Cloud, haben zu einer Intensivierung unserer Aktivitäten geführt.

Batteriebetriebene Sensoren im Gebäude

In einem konkreten Entwicklungsprojekt stand IK Elektronik vor der Aufgabe, eine Vielzahl von batteriebetriebenen Sensoren in Gebäuden mit einem zentralen Kommunikationsgateway zu verbinden. Das Gateway kommuniziert über eine spezielle Funkfrequenz mit den Sensoren und stellt deren Daten über Mobilfunk oder DSL einer Cloud zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Zusätzlich sollten batteriebetriebene Repeater entwickelt werden, die ebenfalls die Funksignale der Sensoren empfangen und gleichzeitig als Netzwerkknoten fungieren. Sie sollten selbstständig eine Verbindung zu benachbarten Repeatern und dem Gateway aufbauen und zuverlässig aufrechterhalten. Zentrale Kundenanforderungen waren dabei die autonome, automatische Konfiguration des Netzwerkes und der Betrieb der Repeater über mehrere Jahre ohne Batteriewechsel.

Die Aufgabe war hinsichtlich der Elektronik-, Antennen- und Geräteentwicklung anspruchsvoll, aber für die Experten von IK Elektronik Routine. Erstmals haben wir jedoch Contiki-NG (NG: Next Generation) als Kernkomponente für die Funkkommunikation zwischen Repeater und Gateway eingesetzt. Damit konnten wir nun alle gestellten Aufgaben in kurzer Entwicklungszeit umsetzen. Individuelle Designziele konnten berücksichtigt und optimal in den Entwicklungsprozess integriert werden. Contiki-NG wurde von unseren Ingenieuren an die spezielle Gerätehardware angepasst und in die Software des neuen Systems integriert.

Freies Betriebssystem für das Internet der Dinge

Contiki-NG ist ein freies Betriebssystem. Es basiert auf dem Contiki-OS, das erstmals 2003 von Adam Dunkels für 8-Bit-Computer veröffentlicht wurde und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt wird. Es eignet sich besonders für Anwendungen im Umfeld des IoT (Internet of Things), bei denen nur wenige Ressourcen für die drahtlose Datenübertragung zur Verfügung stehen. Es enthält bereits viele notwendige Komponenten und Werkzeuge für die Funk- und Netzwerkkommunikation.

Die aktuelle Version 4.9 (Stand Juli 2023) [1] und die Dokumentation sind auf dem zugehörigen Github frei verfügbar. Dank der plattformübergreifenden Architektur und der geringen Systemanforderungen kann Contiki-NG auf zahlreichen Mikrocontrollern wie ARM Cortex M3/M4 und Texas Instruments MSP430 eingesetzt werden.

Beim Einsatz von Contiki-NG sind insbesondere die Eigenschaften des jeweiligen Funknetzes flexibel anpassbar. Die Übertragungsparameter können an die Anzahl der Geräte im Funknetz, die Übertragungsgeschwindigkeit, die Reichweite sowie die Koexistenz mit anderen Funksystemen und die Gegebenheiten des jeweiligen Einsatzortes angepasst werden.

Die Funkfrequenz spielt dabei für das eigentliche Funkprotokoll keine Rolle. Sie kann je nach physikalischen und technischen Gegebenheiten individuell gewählt werden. Gebäudedurchdringung, Antennengröße oder regulatorische Vorgaben spielen bei der Auswahl eine Rolle. So sind die in Europa üblichen freien Frequenzbänder 433 MHz oder 868 MHz ebenso nutzbar wie das weltweit lizenzfrei nutzbare 2,4-GHz-Band.

Batteriebetriebene Geräte energieeffizient betreiben

Lange Laufzeiten ohne Batteriewechsel zu erreichen, erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Entwicklung von batteriebetriebenen Geräten. Bei der Hardwareentwicklung ist ein geringer Stromverbrauch der gesamten Schaltung – vor allem auch im Standby-Betrieb – außerordentlich wichtig. Bei der Software sind möglichst kurze Abarbeitungszeiten der Programmabläufe, möglichst lange Tiefschlafphasen für die Elektronik und vorhersagbare Systemabläufe die notwendigen Grundbausteine zur Zielerreichung.

Contiki-NG setzt fast ausschließlich auf kooperatives Multitasking. Das bedeutet, dass mehrere Prozesse gleichzeitig ausgeführt werden können. Der Übergang zwischen zwei Prozessen (Kontextwechsel) erfordert jedoch die aktive Abgabe von Rechenzeit durch den laufenden Prozess. Danach kann der nächste wartende Prozess über den Scheduler weiterarbeiten. Durch das Design ergibt sich eine strukturierte, ereignisgesteuerte und sehr energieeffiziente Softwarearchitektur.

Mit dem Contiki-NG Modul „Energest“ können zusätzlich alle Softwareprozesse hinsichtlich ihrer Laufzeiten analysiert, optimiert und für die Batteriekalkulation verwendet werden. Die Zeiten für CPU, Funkkommunikation und Datenübertragung können so bereits während der Entwicklung mit den Designzielen verglichen und angepasst werden.

Selbstorganisierendes Funknetz für das IoT

Die Geräte im Funknetz können über IPv6-Adressierung und UDP-Datenverbindungen angesprochen werden. Dazu wird lediglich ein Border-Router benötigt, der die Verbindung zwischen den Netzwerksegmenten herstellt, beispielsweise zwischen dem Contiki-NG-Funknetzwerk und einem Industrial Gateway. Darauf aufbauend kann mit CoAP (Constrained Application Protocol) ein leichtgewichtiges Übertragungsprotokoll für IoT-Anwendungen eingesetzt werden. Je nach Anwendung kann nun die Anwendungsschicht beliebig erweitert werden.

Auch ein Gerätemanagement auf Basis von OMASpecworks/LightweightM2M [2] kann nahtlos integriert werden. Für die notwendige Sicherheit bei der Funkübertragung sorgt eine AES-Verschlüsselung. Diese kann mit weiteren modernen Transportverschlüsselungsverfahren wie DTLS kombiniert werden. Alle weiteren Teilnehmer im Funknetz werden über RPL (Routing Protocol for Lossy and Low Power Networks) angebunden.

Das Einlernen der Geräte und der Aufbau des Netzes erfolgen automatisch. Routen für eine optimale Verbindung zwischen den Repeatern und dem Gateway werden dynamisch gefunden. Das Funknetz konfiguriert sich also selbst und passt sich während des Betriebs ständig an sich ändernde Übertragungsbedingungen an.

Referenzen

[1] Contiki-NG: The OS for Next Generation IoT Devices. github.com. (abgerufen am 8. April 2024).

[2] Lightweight M2M (LWM2M). omaspecworks.org. (abgerufen am 8. April 2024).

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* Christian Becker ist Leiter Technologie bei IK Elektronik.

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