IoT-Infrastruktur aus einer Hand Sensornetzwerk-Infrastruktur: Die passenden Sensoren und Mikrocontroller finden

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Viele Sensormesswerte müssen für die Verarbeitung in zentralen Datenbanken organisiert werden, um den Erwartungen der Industrie 4.0 gerecht zu werden. Endrich Bauelemente hat hierfür ein IoT-Infrastruktursystem entwickelt, das primär Demonstrationszwecken dient.

Eine der größten Herausforderungen ist die Digitalisierung industrieller Prozesse, die Ausstattung von Maschinen mit stromsparender, funktionsreicher und mikrocontrollerbasierter Elektronik zur Erfassung von Sensormesswerten und die Weiterleitung der Daten über LPWA-Kommunikationskanäle an eine Cloud-Datenbank, um Big Data – die Wissensbasis der Zukunft – aufzubauen.

Endrich setzt für seine entwickelte Sensornetzwerk-Infrastruktur ausschließlich Komponenten von Herstellern ein, die der Distributor auch vertritt. Am Anfang der Verarbeitungskette stehen – wie in einer realen Anwendung – Sensoren, die verschiedene physikalische Größen erfassen und messen. Über ein Gateway werden die Sensormesswerte gesammelt und vorverarbeitet. Über einen Kommunikationskanal werden sie an einen cloudbasierten Datenbankdienst gesendet, wo sie nach der Verarbeitung angezeigt werden oder für jeden anderen beliebigen Zweck verwendet werden können.

Passende Sensoren und Mikrocontroller finden

Die Erwartungen der Industrie an eine komplette IoT-Infrastruktur sind hoch und vielfältig. Dazu gehören die Minimierung der Kosten für Geräte, Installation und Wartung, eine lange Batterielebensdauer, eine hohe Auslastung der technologischen Ressourcen mit allen Mitteln. Dies kann nur von kompetenten Komponentenlieferanten erfolgen, die über den professionellen Hintergrund verfügen und auch bereit sind, Entwicklungsunterstützung und Dienstleistungen zu erbringen.

Die erste Aufgabe besteht darin, einen geeigneten Mikrocontroller auszuwählen und die richtige Anzahl verfügbarer Kommunikations-Ports wie GPIO, I²C, SPI, RS232, RS485, CAN und LIN zur Verfügung zu stellen, um die Sensoren auf einfache Weise anbinden zu können. Weitere wichtige Kriterien sind der geringe Stromverbrauch und eine gute und erschwingliche Softwareentwicklungsumgebung.

Die auf der RISC-V-Architektur basierenden Mikrocontroller von GigaDevice erfüllen die technischen Erfordernisse und die Erwartungen hinsichtlich niedrigen Entwicklungskosten, da keine ARM-Lizenz erforderlich ist. Im Falle von IoT-Sensor-Endpunkten, die hauptsächlich im isolierten Inselbetrieb arbeiten, kommen meistens Lithium-Batterien zur Energieversorgung zum Einsatz und die Mikrocontroller-Familie von GigaDevice unterstützt dies aufgrund ihres geringen Verbrauchs.

IoT-geeignete MCUs sind Cortex-M23 und die GD32V-Serie von GigaDevice

Sowohl die Cortex-M23-basierende Mikrocontroller-Familie als auch die Allzweck-Mikrocontroller der GD32V-Serie mit Open-Source-RISC-V-Architektur von GigaDevice sind als MCU für den Einsatz in IoT-Anwendungen geeignet. GigaDevice bietet für beide Architekturen umfassende Entwicklungswerkzeuge, von MCU-Chips bis hin zu Software-Bibliotheken und Entwicklungskits. Die Bausteine sind Footprint- und Software-kompatibel mit den früheren GD32-Mikrocontrollern. Dies gewährleistet schnelle Entwicklungszyklen sowohl für die GD32-Cortex-Core-basierenden GD32-MCU-Versionen als auch für die neue RISC-V-Architektur, indem es die Produktauswahl und Code-Portierung flexibel macht. Die Komponenten sind für den Einsatz in IoT-Anwendungen vom Edge Computing bis zur Programmierung Künstlicher Intelligenz gedacht.

Zweistufige Pipeline-Mikroarchitektur

Die Implementierung von Systemen mit niedrigem Stromverbrauch wird durch die zweistufige Sleep-Funktion unterstützt, die ein Gleichgewicht zwischen niedrigem Standby-Strom und schneller Aufwachzeit gewährleistet.

Die zweistufige Pipeline-Mikroarchitektur mit variabler Länge des Bumblebee-Kerns des RISC-V-Controllers erreicht die Leistung und Frequenz der traditionellen dreistufigen Pipeline-Architektur und hält dabei sowohl den Stromverbrauch als auch die Bauteilekosten niedrig. Dank dieser Eigenschaften kann die GD32VF103-MCU-Serie 153 DMIPS bei maximaler Frequenz arbeiten und 360 Punkte im CoreMax-Benchmark erreichen, was 15 Prozent mehr Leistung im Vergleich zum klassischen GD32-Cortex-M3-Kern bedeutet.

Der stromsparende Cortex-M23 ist ebenfalls eine Mikrocontroller-Familie, die für das IoT entwickelt wurde. Er ist ein Nachfolger der Cortex-M0- und Cortex-M0+-Plattformen und basiert auf Arms v8-M-Architektur. Die Kompatibilität mit allen Arm-v6-M-Befehlssätzen wird beibehalten, was die Migration von Arm-M0- / M0+-Controllern erleichtert, während die Code-Ausführungseffizienz des Cortex-M23 um 30 Prozent (M0+) bis 40 Prozent (M0) höher ist.

Vielfältige Möglichkeiten der Datenübertragung

Die Datenübertragung für das IoT kann auf viele Arten von Low-Power-Wide-Area-Kommunikationstechnologien (LPWA) zurückgreifen. Die meisten GSM-basierenden IoT-Anwendungen wie Sicherheits- und Feuermelder nutzen heute das 2G-Netz, allerdings gibt es bei GPRS eine technologische Einschränkung, nämlich die geringe maximale Anzahl von Geräten, die mit derselben Zelle verbunden sind. Andererseits wird die Abschaltung des 2G-Netzes in Kürze erwartet, so dass andere Technologien, die auf M2M-Kommunikation spezialisiert sind, in den Mittelpunkt gerückt sind.

Eine der beliebtesten Lösungen ist der Narrow-Band-IoT-Standard, der eine Erweiterung der aktuellen LTE-Technologie ist. Eine weitere wichtige Technologie ist LTE-M (Long Term Evolution for Machines), LTE-CAT-M1, die speziell für M2M-Anwendungen entwickelt wurde, die eine höhere Datenrate erfordern. Letztere hat eine höhere Bandbreite und erfordert komplexere Funkmodule.

Die Vorteile von NB-IoT sind eine gute Abdeckung, lange Batterielebensdauer, geringe Gerätekosten und eine gute Indoor-Durchdringung. Mobilfunknetze, also das von NB-IoT genutzte LTE, haben eine sehr gute Abdeckung in städtischen Gebieten, allerdings sind die IoT-Endpunkte mit den Sensoren oft tief im Inneren von Gebäuden – sogar in Kellern – installiert, wo die herkömmlichen GSM (2G)-Module einen hohen Strombedarf haben, vor allem, wenn die Datenverbindung aufgebaut wird, um die schwachen Funkempfangsbedingungen zu überwinden. Die NB-IoT-Technologie bietet dank ihrer schmalen Trägerbandbreite eine höhere Energiedichte, die tiefer in das Innere von Gebäuden vordringen kann, und im Falle schwieriger Empfangsbedingungen wird der Wiederaufbau der Datenverbindung möglich. Der Preis für die gute Durchdringung ist die geringe Datenrate. NB-IoT eignet sich für Anwendungen, bei denen kleine Datagramme mit langen Pausen dazwischen gesendet werden sollen. Es zeichnet sich durch minimale Energieaufnahme aus und verlängert so die Batterielebensdauer.

Die üblichen GPRS/UMTS/LTE-Module (2G/3G/4G) verfügen über viele Funktionen und Dienste, die für IoT-Geräte nicht erforderlich sind, wie beispielsweise Sprachkommunikation, SMS-Service und Breitband-Internet. Der Verzicht auf diese Funktionen führt zu einer einfacheren Hardware, einem günstigeren Modulpreis und einem geringeren Stromverbrauch.

Zu prüfen sind Netzabdeckung, Signalempfang, Datenkommunikationsprofil, Energieversorgung

Bevor man sich für die NB-IoT-Technologie entscheidet, muss die Installationsumgebung geprüft werden. Eine gute Netzabdeckung und ein ausreichender Signalempfang am Ort der Sensorinstallation sind Grundvoraussetzungen. Dann muss geprüft werden, welches Datenkommunikationsprofil erforderlich ist und wie oft und welche Datenmenge hoch- oder heruntergeladen werden müssen. Die Anforderungen an die Energieversorgung müssen ebenso berechnet werden wie die Batterielebensdauer auf der Grundlage der erforderlichen Stromimpulse durch die Arbeitszyklen des Geräts und die angewandte Kapazität und Entladecharakteristik der Lithiumbatterie. Wenn durch Zellensuche und wiederholte Datenverbindung große Entladeimpulse zu erwarten sind, kann es notwendig sein, die Batterie mit einem parallelen Superimpuls-Kondensator zu stützen, der schnell einen großen Energieimpuls für das Modul liefern kann, solange der Depassivierungsprozess der Lithium-Primärbatterie andauert. Die genannten Faktoren führen oft zu Kompromissen, indem entweder die Erwartungen an die Batterielebensdauer gesenkt werden oder ein Batterietyp mit größerer Kapazität und längerer Lebensdauer gewählt wird.

Der aktuelle Markttrend führt zu einem starken Anstieg der Anzahl von IoT-Geräten und die Nachfrage nach der Verbindung all dieser Geräte macht die NB-IoT-Technologie in den nächsten Jahren unumgänglich. Führende GSM-Anbieter haben diesen Trend erkannt und führen nach und nach NB-IoT-Dienste ein. Endrich unterstützt traditionell den Trend von der Komponentenseite Hand in Hand mit seinen vertretenen Lieferanten. Die MA510- und N510-Module von Fibocom sind beliebte NB-IoT-Modems, die Endrich auf dem Markt anbietet.

Qualcomms MDM9205-basierende Modulvariante MA510 GL-LPWA-

Qualcomms neue MDM9205-basierende MA510-GL- LPWA-Modulvariante verbindet sich mit Kombinationen von LTE-Cat.M1-, LTE-Cat.NB2- und EGPRS-Netzwerken und unterstützt die globale GNSS-Positionierung über GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo-Satellitensysteme. Die Modems zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch aus und nutzen den guten Indoor-Empfang der Schmalband-IoT-Technologie, so dass sie auch tief im Inneren eines Gebäudes eingesetzt werden können. Die wettbewerbsfähigen Preise entsprechen den Anforderungen der Industrie und ebnen den Weg für städtische oder landwirtschaftliche Anwendungen. Das Modul eignet sich für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, die eine geringe Datenmenge und eine kurze Übertragungszeit erfordern, wie Geräteverfolgung, industrielle Datenerfassung und -kontrolle, Sicherheitssysteme, Smart Home und Smart Metering.

Ein weiteres LPWA-Gerät von Fibocom ist das auf dem MediaTek-MT2625DP-Chipsatz basierende N510-NB-IoT-Modul, das eine lange Batterielebensdauer und eine kostengünstige Lösung für Anwendungen wie Smart Metering, Lichtsteuerung, Smart Parking, Smart Home und Landwirtschaft oder Feueralarm bietet, bei denen die Hauptanforderung die Stromeinsparung ist. So ist es möglich, dass eine einzige Primärbatterie die gesamte Lebensdauer des Geräts überstehen kann. Gepaart mit einer geringen und seltenen Datenübertragung führt das zu minimalen Kosten.

Duo: Endrichs GSM-Sensorboard und Endrichs Cloud-Service

Die Sensormesswerte werden in der Regel für die spätere Verarbeitung in einer Datenbank gespeichert, typischerweise in einem Cloud-basierten Dienst, und die Module sind geeignet, um die Datenübertragung zwischen der Elektronik, die die Sensoren ausliest, und der Datenbank zu realisieren.

Das IoT-Konzept von Endrich zielt darauf ab, diese Struktur zu implementieren und den Partnern Hardware- und Softwarelösungen auf mehreren Ebenen zur Verfügung zu stellen. Endrich hat ein mikrocontrollergesteuertes Sensorboard entwickelt, das mit einem Schmalband-GSM-Kommunikationsmodul ausgestattet ist. Diese Sensor- und Kommunikationsplatine als Hardware bietet zusammen mit der Endrich Cloud Database Service Software ein voll funktionsfähiges Konzept einer allgemeinen IoT-Lösung.

Die Daten des ALS-Umgebungslichtsensors von Everlight, der NTC-Temperatursensoren (NTC) von Tateyama und Semitec, des Hall-Magnetsensors von TDK-Micronas und des Sensolute-Miniatur-Vibrationssensors werden von dem GD32V103 RISC-V-Mikrocontroller von Gigadevice gesammelt und über den Kommunikationskanal an den Server gesendet. Die Telekommunikationsverbindung wird durch ein Fibocom-MA510-Modul realisiert, das sowohl NB-IoT- als auch GPRS-Netzwerke unterstützt und die Daten über das UDP-Protokoll zur Speicherung im Endrich Cloud Database Server sendet. Die Größe des Panels dient lediglich zur Veranschaulichung. Eine reale Anwendung wäre viel kleiner dimensioniert.

Endrich hat auch eine äquivalente kompakte Lösung für andere MCU-Plattformen vorbereitet, so dass ein IoT-Endpunkt als Kommunikationsschild für MCU-Boards von Drittanbietern angeboten werden kann. Dieses Gerät passt zu den kommerziellen Arduino Leonardo Boards und auch zu den GigaDevice Evaluation Kits für Cortex-M23- oder RISC-V-Mikrocontroller und verwandelt diese in einen IoT-Endpunkt mit Sensor- und Kommunikationsfähigkeiten. Endrich stellt diese konzeptionelle Entwicklungsinfrastruktur nicht als Produkt, sondern als Plattform zur Verfügung. Endrichs Geschäftsmodell ist in erster Linie der Verkauf von elektronischen Komponenten. Ergänzt wird dies aber durch Entwicklungsunterstützung, indem Referenzschaltungsdesigns und Softwarecode zur Verfügung gestellt werden und während der Produktentwicklung Zugang zur Cloud-Datenbank geboten wird.

Integration aller IoT-Funktionen in einer Leiterplatte

In einem weiteren Entwicklungsschritt werden alle IoT-Funktionen von Sensoren, MCU und Kommunikation auf einer einzigen Leiterplatte integriert. Der konstruierte IoT-Endpunkt ist in der Lage, Vibrationen und Magnetfelder zu erfassen, die Umgebungslichtintensität, die Temperatur und den Luftdruck zu messen, Höhenänderungen zu berechnen und die Daten über das GSM-Netz zu melden. Diese IoT-Karte arbeitet autonom als Inselgerät, das durch eine Lithiumbatterie oder eine USB-Powerbank mit Strom versorgt wird, und meldet auch den GPS-Standort, so dass sie auch für die Verfolgung von Fahrzeugaufbauten wie beispielsweise Kühllager oder LKW-Laderaum eingesetzt werden kann.

Die Karte ist mit einer externen I²C-Schnittstelle ausgestattet, um eine Breakout-Sensorplatine mit einer erweiterten Reichweite von bis zu 50 Metern anschließen zu können. Diese kundenspezifischen Breakout-Boards sind in verschiedenen Versionen und Varianten erhältlich und können auch in Kombination mit kundeneigenen MCUs, die die I²C-Schnittstelle unterstützen, verwendet werden. Das IoT-Board dient als Entwicklungs-Evaluierungsboard für die IoT-Technologie. Es kann als MCU-Evaluierung und GSM-Modem-Evaluierung verwendet werden. Zu diesem Zweck sind externe Anschlüsse für die MCU- und die Modem-UART-Schnittstelle vorhanden.

Die Datenvisualisierung ist auf jedem angeschlossenen Gerät, Mobiltelefon, Panel-PC oder Industrie-TFT-Monitor möglich. Die einzige Voraussetzung ist ein Webbrowser, da die Endrich Cloud Database einen WEB-Server enthält, der einen Visualisierungsdienst bereitstellt. Diese Schnittstelle kann bis zu einem gewissen Grad für die eigenen Sensoranwendungen des Kunden angepasst werden.

Umfassende Unterstützung von Endrich

Die Endrich Bauelemente Vertrieb stellt die Referenzdesigns der Sensorschnittstellen zur Verfügung und unterstützt seine Kunden bei der Mikrocontroller-Programmierung und der Auswahl der am besten geeigneten Komponenten für alle IoT-Anwendungen. Die zu Demonstrationszwecken eingesetzten Komponenten und Applikationen verwenden fortschrittliche IoT-Technologie und helfen dabei, die Funktionsweise der Sensoren zu überprüfen, die Dateneingabe durch Mikrocontroller zu verarbeiten und die drahtlose Kommunikation zu implementieren. Endrich kümmert sich um die entsprechende Spannungsanpassung, Stromversorgung und Konvertierung.

Die Karte kann mit einer Lithium-Primärbatterie gespeist werden. Endrich hilft auch bei Fragen zu ER- oder CR-Batterien, wiederaufladbaren Li-Ionen-Akkus oder DC/DC-Wandlern bzw. Netzteilen. Die Beratung erfolgt auch bei der MCU-Frequenzsteuerung mit MEMS-Oszillatoren, bei EMI-Problemen und zum Thema Überspannungsschutz.

Neben dem Service, die passenden Komponenten für eine bestimmte IoT-Lösung zu finden und zu testen, bietet Endrich einen Cloud-Datenbankdienst zur Verwaltung und Speicherung strukturierter Sensordaten für die spätere Verarbeitung an. Der Dienst kann während der Evaluierung und Entwicklung genutzt werden, bis der Entwickler mit seinem eigenen Cloud-basierten Backend fertig ist. Die Daten werden über einen UDP-Kanal in einem vordefinierten Format übertragen und unterstützen eine beliebige Anzahl von Endpunkten. (mk)

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