Das Internet erreichte vor etwas mehr als 10 Jahren einen wichtigen Meilenstein. Laut Cisco erreichten wir um 2004/5 einen Punkt, an dem so viele Geräte („Dinge“) wie Menschen auf dem Planeten mit dem Internet verbunden waren. Tatsächlich wird dieses globale Netzwerk heute als „Internet der Dinge“ („Internet of Things“, IoT) bezeichnet. Schätzungen zufolge gibt es derzeit zwischen drei und vier mit dem Internet verbundene Geräte pro Person, und diese Zahl wird sich in den nächsten drei Jahren fast verdoppeln, was 26.000 Milliarden IoT-Geräten bis 2020 entspricht (laut Gartner). Obwohl viele Unternehmen viele Ressourcen investieren, ist es schwierig, die Größe des gesamten IoT-Marktes vorherzusagen. Frühe Prognosen deuteten auf mehr als 50.000 Milliarden Geräte hin, aber eine realistischere und neuere Prognose von ABI geht von insgesamt 36.000 Milliarden IoT-verbundenen Geräten bis 2020 aus. Die Prognose von ABI geht von 19.000 Milliarden IoT-Knoten, 11.000 Milliarden Gateways und 6.000 Millionen aus mobile Geräte. Das Umsatzpotenzial für IoT in der Zukunft ist aufgrund der Neuheit und des schnellen Wachstums des Sektors noch schwieriger abzuschätzen. Das McKinsey Global Institute schätzt eine Zahl zwischen 4 und 11 Billionen US-Dollar im Jahr 2025.
Unabhängig von der tatsächlichen Anzahl der Geräte und der damit verbundenen Abrechnung ist klar, dass IoT ein wichtiger Teil der Zukunft sein wird. Beim Vergleich von IoT und das Internet „normal“ wird deutlich, dass ein viel größerer Anteil ihrer IoT-Aktivitäten aus der Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation stammt. Die Informationen, die durch dieses Netzwerk zirkulieren, werden generiert, interpretiert, gespeichert und funktionieren hauptsächlich durch das direkte Eingreifen einer Person. Jedes dieser eindeutig identifizierbaren eingebetteten Geräte existiert innerhalb der bestehenden Infrastruktur des Internets und wird, wenn es miteinander verbunden ist, die Automatisierung in praktisch jedem Aspekt des täglichen Lebens erleichtern und in Zukunft fortschrittliche Anwendungen ermöglichen. Sehr bald, nämlich bereits im Jahr 2020, werden Haushaltsgeräte wie Haushaltsgeräte und Klimaanlagen die Anzahl der Computer im Internet übersteigen. Das rasante Wachstum der Anwendungen ist auf die Kombination von neuen Produktkonzepten (z. B. tragbare Fitnessgeräte) und intelligenten Fabriken, die ferngesteuert und überwacht werden können, sowie auf die Weiterentwicklung etablierter Technologien zurückzuführen, z. B. Anwendungen in Smart Homes (z als automatische Licht- und Heizungssteuerung). Innovatoren werden das IoT weiter vorantreiben, um neue Anwendungen zu entwickeln, von denen wir einige bereits kennen und sicherlich einige, an die wir noch nicht einmal gedacht haben. Per Definition ist das IoT jedoch für seine Existenz auf Kommunikation angewiesen, und aufgrund der entfernten Standorte zahlreicher Geräte wie Sensoren ermöglichen drahtlose Kommunikationstechnologien die vielversprechende Welt des IoT.
IoT-Ökosystem
Mit dem starken Trend, Anwendungen von festen zu drahtlosen Netzwerken zu verlagern, ist das gesamte Funkspektrum ein weit verbreitetes wertvolles Gut. Die Verfügbarkeit von Spektrumsbandbreite ist für die Entwicklung von drahtlosen Sensornetzwerken (WSNs) im IoT von größter Bedeutung. In der IoT-Umgebung ist jedes verbundene Gerät ein intelligenter Modus, der Informationen erkennt und eine Art Signalverarbeitung und -konditionierung durchführt, ob digital oder analog. Ein Beispiel hierfür wäre das Filtern wertvoller Signale aus Rauschen, um die für die Datenkommunikation erforderliche spektrale Bandbreite zu reduzieren. In häufig verwendeten Konfigurationen kommunizieren IoT-Sensorgeräte mit einem Gateway (oder Datensammler), von dem aus Daten an das Internet weitergeleitet werden können, und einem zentralisierten, zentralen Datenspeicher, der die Informationen sicher schützt, speichert und verarbeitet. Abb. 1 bietet eine mögliche Darstellung eines IoT-Ökosystems, in dem Sensordaten aus der Ferne über das Internet verwaltet werden. Drahtlose Sensoren und Produkte von Melexis können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, sowohl auf den IoT-Sensorgeräten selbst als auch als Gateway, das sich mit dem Internet im Allgemeinen verbindet.
Unter 1 GHz: größere Entfernungen
Es gibt eine branchenweite Debatte darüber, ob Funk unter 1 GHz oder 2,4 GHz als bevorzugter Träger für alle Arten von drahtloser Datenkommunikation und Sensoranwendungen verwendet werden soll. Innerhalb der IoT-Infrastruktur bedeutet 2,4 GHz oft Bluetooth-basierte Technologien (wie Bluetooth Low Energy, BLE) oder Wi-Fi. Unterhalb von 1 GHz liegen hauptsächlich die ISM-Bänder, zum Beispiel bei 433,92 MHz oder 868,3 MHz Ein auf 2,4 GHz basierendes System bietet eine relativ hohe Datenrate, im Allgemeinen in der Größenordnung von mehreren Megabit pro Sekunde (Mbps) für Wi-Fi und wesentlich niedriger bei etwa 260 kbps für BLE. Wi-Fi ist selbstverständlich mit WLAN-Infrastrukturen wie Routern kompatibel und kann somit direkt mit dem IoT verbunden werden. Verschiedene Versionen von Bluetooth können sich direkt mit einem mobilen Gerät verbinden, das wiederum eine Verbindung zum IoT/Internet herstellt. Ein Nachteil einer 2,4-GHz-Funkverbindung ist die relativ geringe Reichweite (< 10 m) aufgrund hoher Ausbreitungsverluste im Vergleich zu Sub-1-GHz-Systemen.Unter 1 GHz ist ideal, wenn die große Reichweite (bis zu 1 km im Freien) wichtig ist der Anwendung oder Installation, da es durch die Verwendung von schmalbandigen Funkkanälen (häufig in der Größenordnung von 25 kHz) ein hohes Maß an Robustheit sowie eine hervorragende Immunität gegenüber Störsignalen bietet. Darüber hinaus verwenden Geräte, die unter 1 GHz arbeiten, normalerweise ihre eigenen Protokolle, ihre Optimierung ist relativ einfach in Bezug auf effizienten Verbrauch und Batterieautonomie, zwei grundlegende Faktoren für Fernsensoren im IoT, die mit Batterien betrieben werden oder der Energiegewinnung dienen. . Abb. 2 zeigt verschiedene IoT-Anwendungen, die sich durch die Nutzung der Technologie unter 1 GHz auszeichnen.
Trägerfrequenzakzeptanz ist wichtig
Ein wichtiges Element bei der Verwendung drahtloser Verbindungen für beliebige Anwendungen, insbesondere aber für IoT-Anwendungen, ist die Fähigkeit der empfangenden Knoten, Trägerfrequenzabweichungen von sendenden Knoten zu verfolgen. Moderne eingebettete HF-Empfänger und -Transceiver verwenden Quarzkristalltechnologie, um in jedem Gerät eine lokale Referenzfrequenz zu erzeugen. Billigere Quarze bieten typischerweise eine Frequenzstabilität von etwa ±10 ppm bis ±50 ppm. Weniger integrierte HF-Produkte, die häufig auf Geräten wie SAW-Resonatoren basieren, sind mit Toleranzen von ±100 ppm tendenziell weniger stabil. Klassische analoge HF-Transceiver und -Empfänger enthalten normalerweise Demodulatoren mit der gleichen Phase. Sie verwenden im Allgemeinen eine externe Diskriminatorschaltung oder einen integrierten FSK-Demodulator. Aufgrund des analogen Demodulationsprinzips bieten diese Produkte einen Trägerfrequenzakzeptanzbereich von bis zu ±100 kHz. Wenn wir die Trägerfrequenz eines 868,3-MHz-IoT-Sendeknotens basierend auf einer kostengünstigen Quarzreferenz mit einer Toleranz von ±50 ppm analysieren, kann die Mittenfrequenz des Knotens eine Streuung von ±43 kHz haben. Dieser Wert kann den FSK-Offset überschreiten, der ein grundlegender Modulationsparameter ist. Typische zulässige FSK-Offset-Werte für IoT-Sensorknotenanwendungen liegen zwischen ±10 kHz und ±50 kHz. HF-Produkte mit analogen Demodulatoren können jedoch aufgrund ihrer breiten Trägerfrequenzakzeptanz eine Trägerfrequenzspreizung akzeptieren, die größer als die FSK-Abweichung ist. Moderne hochintegrierte HF-Produkte führen Demodulation und viele andere notwendige Signalkonditionierungsoperationen im digitalen Bereich durch. Möglich wird dies durch moderne Halbleiterprozesse auf Basis reduzierter Geometrien, die sehr kompakte IC-Designs ermöglichen. Aufgrund ihrer digitalen Natur sind die meisten modernen HF-Transceiver jedoch im Vergleich zu ihren bestehenden analogen Gegenstücken durch relativ kleine Trägerfrequenz-Akzeptanzbereiche gekennzeichnet. Daher kann es für einen digitalen HF-Empfänger schwierig sein, ein Signal von einem IoT-Sensorknoten zu empfangen, wenn der Sensorknoten aufgrund einer großen Kristalltoleranz eine schlechte Frequenzgenauigkeit bietet.
Hochintegrierte HF-Transceiver von Melexis
Der moderne HF-Transceiver MLX73290-M von Melexis bietet eine Lösung, die mit den großen Toleranzen der Trägerfrequenz gut funktioniert. Abb. 3 zeigt das Blockschaltbild des MLX73290-M. Wie Sie sehen können, basiert ein erheblicher Teil des Geräts auf digitaler Technologie, die im grauen Kasten dargestellt ist. Der MLX73290-M ist ein Mehrkanal-HF-Transceiver-IC, der sich die langjährige Erfahrung von Melexis mit drahtlosen Geräten mit geringem Stromverbrauch zunutze macht. Das Produkt, das in ISM-Bändern unter 1 GHz zwischen 300 MHz und 960 MHz arbeitet, bietet zwei HF-Kanäle mit jeweils einem programmierbaren HF-Leistungssender (mit Leistungsdetektoren) und einem HF-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit. Es ist über seine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) vollständig programmierbar. Dieser IC eignet sich gut für drahtlose Anwendungen unter 1 GHz wie Heim-/Gebäudeautomatisierung, Reifendrucküberwachung (TPMS), automatische Zählerablesung (AMR), Alarmsysteme, Systeme für den passiven schlüssellosen Zugang (PKE), medizinische Diagnose und Telemetrie. Sein Ausgangsleistungspegel beträgt -20 dBm bis 13 dBm in 64 Schritten, während seine Empfängerempfindlichkeit bei einer Bandbreite von 120 kHz bis auf -15 dBm sinken kann. Mit einer maximalen Datenrate von 250 kbps ist der Transceiver auch in der Lage, eine schnellere Datenverarbeitung zu bewältigen. Aufgrund seiner hohen Programmierbarkeit haben Ingenieure mit diesem IC viele Möglichkeiten zur Konfiguration und Implementierung einer HF-Eingangsstufe. Eine Vielzahl von HF-Parametern (Anzahl der Kanäle, Frequenzauflösung, Leistung, Frequenzhub usw.) kann angepasst werden, um bestimmte Anwendungskriterien zu erfüllen. Darüber hinaus unterstützt es die Modulationstechniken OOK (Onoff Keying), FSK (Binary Frequency Shift Keying), MSK (Minimum Shift Keying), GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) und GFSK (Gaußian Frequency Shift Keying). Zwei HF-Leistungsdetektoren ermöglichen die Erhöhung der abgestrahlten Leistung während des Sendens und dank einer Energy-Capture-Schnittstelle kann es ohne Batterie mittels einer Solarzelle und einem Superkondensator betrieben werden.
Dies erhöht den Wert des Transceivers an abgelegenen Orten ohne Stromversorgung. Berichtskarten und Software-Tools sind ebenfalls erhältlich. Der MLX73290-M wird in einem 32-poligen, 5 mm x 5 mm großen QFN-Gehäuse geliefert. Sein Arbeitstemperaturbereich reicht von -40 °C bis 105 °C und sein Versorgungsspannungsbereich von 2,1 bis 3,6 V DC. Das Gerät enthält einen PLL-Synthesizer mit einer Auflösung von 60 Hz, einen FIFO von 256 Bytes, der in 128/128 für Empfang/Übertragung unterteilt werden kann, und insgesamt 4 programmierbare GPIO-Ports für die Verbindung mit anderen Elementen des Systems. Aufgrund seiner Trägerwiederherstellungsfunktion ist der Transceiver MLX73290-M in der Lage, eine Trägerfrequenzabweichung von bis zu zweifacher Rohdatenrate (DR) zu tolerieren, die normalerweise als ±2 x DR ausgedrückt wird. Der Carrier Frequency Acceptance Range (CFAR) hängt nicht von der AFC-Einstellung ab. AFC ermöglicht einfach, dass die Trägerwiederherstellung nach jedem Paket auf einen bestimmten Wert konvergiert, wodurch wiederum die Präambellänge reduziert wird, wenn die Anwendung den Verlust einiger Pakete beim Start tolerieren kann. Fig. 4 veranschaulicht die Paketfehlerrate (PER) relativ zu CFAR. Das gezeigte Beispiel gilt für einen DR von 55,6 kbps mit einem FSK-Offset von ±50 kHz. Wie ersichtlich ist, besteht eine Wechselbeziehung zwischen der Präambellänge (dem Teil des Pakets, während dessen die Trägerwiederherstellung versucht, zu konvergieren) und der PER.
Fazit
Da die Nachfrage nach IoT-Geräten erheblich wächst, werden Verbraucher und Benutzer zweifellos den Druck auf die Hersteller dieser Geräte erhöhen und von ihnen verlangen, mit jeder Produktgeneration die Kosten zu senken. Dies wird unweigerlich zu einer verstärkten Verwendung von kostengünstigen Kristallen mit höheren Frequenztoleranzen in Sensorknoten führen, um dieses Ziel zu erreichen. Während Designer nach eleganten Lösungen für diesen Kompromiss zwischen Kosten und Leistung suchen, wird der HF-Transceiver MLX73290-M mit seinem breiten Trägerfrequenz-Akzeptanzbereich zu einer beliebten Lösung für die Datenerfassung im IoT sowie für bidirektionale Netzwerkknoten.
