Distribution & Dienstleistung Wi-Fi fürs Internet der Dinge

Im Grunde genommen gibt es im Bereich der Datenübertragung recht unterschiedliche Technologien, die für eine IP(Internet Protocol)-basierende Vernetzung in Frage kommen. Je nach Anwendungsgebiet und den damit verbundenen Vorgaben konkurrieren sowohl drahtlose als auch drahtgebundene Übertragungstechniken um die Gunst der Kunden. Drahtgebundene Technologien wie zum Beispiel Ethernet und PLC (Power Line Communication) sind in ihrer räumlichen Verfügbarkeit oft eingeschränkt und fordern nicht selten eine nachträgliche Installation von elektrischen Leitungen.

Insbesondere für die Gebäude-Automation fehlt es zur Anbindung von Sensoren und Aktoren, die in der Praxis an den unterschiedlichsten Stellen im Gebäude vorzufinden sind, an der notwendigen Infrastruktur. Gebäudeautomatisierer greifen daher gerne auf drahtlose Übertragungstechnologien wie etwa ZigBee, Z-Wave oder neuerdings BLE (Bluetooth Low Energy) zurück. Die erzielen jedoch allesamt nicht die geforderten Reichweiten. Zudem werden zur Anbindung an die IP-Welt sogenannte Gateways benötigt, die zusätzliche Kosten und Installationsaufwendungen nach sich ziehen.

Bei Wi-Fi ergibt sich diese Problemstellung nicht. Daher steht es immer häufiger als Alternative zur Diskussion. Doch in der Praxis fand Wi-Fi bisher nur selten den Weg in den hart umkämpften Internet-of-Things(IoT)-Markt.

Erstens war Wi-Fi zu teuer und zweitens lagen die erzielten Verlustleistungen deutlich außerhalb der Vorgaben. Qualcomm Atheros hat sich intensiv diesem Problem gewidmet und durch neue Designkonzepte und Optimierung der Prozesstechnologie einen Wi-Fi-Baustein entwickelt, der im Hinblick auf Energieeffizienz und Preis genau die Anforderungen des IoT-Marktes erfüllt.

Wi-Fi-Baustein

Der QCA4002 ist ein hochintegrierter Wi-Fi-SoC (System on Chip), der neben einem Baseband-Radio und einer MAC-Einheit (Medium Access Control) auch einen Netzwerkprozessor mit integriertem Protokoll-Stack hat. Neben dem 2,4-GHz-Band unterstützt der QCA4002 auch das in der Industrie immer häufiger geforderte 5-GHz-Band. Serielle Schnittstellen wie UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) und SPI (Serial Peripheral Interface) erlauben eine einfache und schnelle Einbindung in eine MCU(Microcontroller Unit)-basierende Systemumgebung.

Neben der Unterstützung von verschiedenen Sleep-Modes tragen insbesondere der Green-Tx-Power-Saving-Mode und der Low-Power-Listen-Mode zur Verbesserung der Verlustleistung bei. Mit einem 56-pin-QFN-Gehäuse und einer Abmessung von 7 mm x 7 mm lässt sich der Baustein auch in kleineren, meist batteriebetriebenen IoT-Produkten integrieren. Der erweiterte Temperaturbereich von -40 bis 85 °C erlaubt zudem den Einsatz im Outdoor-Bereich. Im Folgenden sollen einige wichtige Eigenschaften näher erläutert werden.

Netzwerkprozessor

Der integrierte Netzwerkprozessor verwaltet den IP-Stack (IPv4/IPv6, UDP/TCP) und koordiniert den gesamten Verbindungsablauf zum Access Point (AP). Neben einigen höheren Anwendungsprotokollen wie HTTP, DHCP und DNS unterstützt der Netzwerkprozessor auch umfangreiche Sicherheitsprotokolle wie WPS, WPA2 und SSL. Im Soft-AP-Mode kann der Baustein mehrere Clients koordinieren und erlaubt zudem Wi-Fi-Direct, bei dem der Anwender durch ein mobiles Endgerät wie Handy, Laptop oder Tablet ohne Einbeziehung eines Router, direkten Zugriff auf den Baustein erhält.

Für die Bewältigung seiner Aufgaben stehen dem Netzwerkprozessor ausreichende Speicherressourcen (ROM und RAM) zur Verfügung. Lediglich ein kleiner externer serieller Flash-Baustein (~4 MBit) wird für die Speicherung der Firmware zusätzlich benötigt. Nach dem Reset wird die Firmware automatisch in den internen RAM kopiert und die Befehle dem Programmablauf entsprechend in die Ausführungseinheit des Netzwerksprozessors geladen und ausgeführt. Zur Laufzeit wird der externe Flash aber auch zur Speicherung von Systemkonfigurationsdaten benötigt.

Ansteuerung

Zur Ansteuerung des Netzwerkprozessors kann der Anwender zwischen den zwei seriellen Schnittstellen SPI und UART wählen. Im einfachsten Fall kann der Netzwerkprozessor über die UART-Schnittstelle via AT-Kommandos angesteuert werden. Wird jedoch ein höherer Datendurchsatz von bis zu 10 MBit/s und mehr Protokollfunktionalität gefordert, so kann alternativ die SPI-Schnittstelle genutzt werden. Hierzu müssen API-Treiber auf die Host-MCU portiert werden, die als C-Code von Qualcomm Atheros bereitgestellt werden. Bei beiden Ansätzen werden keine fundierten Kenntnisse im Bereich Wi-Fi vorausgesetzt. Der Anwender widmet seine Aufmerksamkeit während der Entwicklung vielmehr der Kern-
anwendung auf seiner Host-MCU zu. Die Wahl der SW-Entwicklungsumgebung hängt also allein von der eingesetzten Host-MCU ab und richtet sich nach dem QCA4002 – zum Beispiel IAR für einen Cortex-M3-basierende MCU von Atmel.

Power-Saving-Techniken

Für die Reduzierung der Verlustleistung in den verschiedenen Betriebsmodi werden von der Power Management Unit im Wesentlichen folgende Techniken eingesetzt:

• Gating Clock: Nicht benötige Funktionsblöcke werden vom Taktnetzwerk entkoppelt, um Umladeströme von parasitären Kapazitäten zu verhindern.

• Shut Down High Speed Clock: Wird das High-Speed-Taktnetzwerk nicht benötigt, kann es vollständig ausgeschaltet werden – externe Taktquellen zum Beispiel Oszillator mit einbezogen.

• Reduktion des Spannungslevels: In einigen Power-Down-Modi können die Spannungslevels einzelner Blöcke abgesenkt werden, um die statischen Verlustströme zu verringern. Jedoch garantiert eine geforderte Mindestspannung eine kurze Aufweckzeit und den Datenerhalt aller Register und des flüchtigen Speichers.

Low-Power-Listen-Mode

Für eine weitere Reduktion der Stromaufnahme kann der so genannte LPL(Low-Power-Listen)-Mode verwendet werden. Hierbei wird der Empfänger (Rx) zwischen den einzelnen Frames für einen kurzen Moment in einem Sleep-Mode versetzt. Jedoch kann auch für die gesamte Empfangsdauer die Stromaufnahme reduziert werden, ohne einen Performanceverlust von mehr als 1 bis 2 dB erleiden zu müssen. Sollten sich die Empfangsbedingungen deutlich verschlechtern, so schaltet die Firmware automatisch in den Full-Power-Mode zurück.

Green-Tx-Power-Saving-Mode

Nicht immer ist es notwendig, dass der Sender (Tx) mit maximaler Leistung sendet. Je nachdem in welchem Abstand der AP oder die Nearby-Station liegt und welche Übertragungskanaleigenschaften vorliegen, kann auch mit reduzierter Leistung gesendet werden ohne den Datendurchsatz des Uplinks verändern zu müssen. Der QCA4002 bietet hierzu einen adaptiven Tx, der zur Laufzeit die Kanaleigenschaften neu bewertet und die Sendeleistung immer wieder an die Übertragungsbedingungen neu abstimmt. Somit wird gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt und bei gleichbleibendem Datendurchsatz nur die minimal notwendige Energie verbraucht wird.

RF-Komponenten integriert

Auch wenn der QCA4002 bereits viele RF(Radio Frequency)-Komponenten integriert hat, scheuen viele Kunden die Aufwendungen eines eigenen RF-Designs sowie die abschließenden Kalibrierungs- und Zertifizierungsprozeduren. Mit einer Abmessung von 20 mm x 25 mm bietet die Firma Wistron für den QCA4002 eine Modullösung an, die auch im Hinblick auf Kosten eine Alternative zu einem kundenspezifischen Design darstellt. Beide Schnittstellen, UART und SPI, stehen dem Anwender zur Verfügung und erlauben somit die gleichen oben beschriebenen Ansteuerungsoptionen. Abgesehen von der Eigenschaft, dass das Modul mit der Bezeichnung DNSA-141 nur für das 2,4-GHz-Band ausgelegt ist, unterstützt es alle Features des QCA4002 einschließlich aller beschriebenen Low-Power-Modi.

Wi-Fi als führende Funktechnologie

Ob als Modullösung oder kundenspezifisches Design, Wi-Fi hat gute Chancen sich schon bald als führende Funktechnologie auch im IoT-Markt zu etablieren. Keine andere Funktechnologie ist heute so starkt verbreitet wie Wi-Fi. Ob Mobile Endgeräte, Computer oder der heimische Fernseher, für keine andere Technologie werden Bausteine in so hohen Stückzahlen gefertigt. Der Preisverfall für Wi-Fi-Lösungen dürfte daher weiterhin stärker voranschreiten als bei anderen Funkstandards. Zugleich dürften weitere neue Designkonzepte helfen, die Stromaufnahme sowohl im Active- als auch im Sleep-Mode zu reduzieren.
Weitere Informationen zu Codico finden Sie im Business-Profil auf der Seite 21.