IoT ist für jeden zugänglich

Die Technologien dieser Welt verändern sich heutzutage schneller denn je, und neue Technologien für kabellose Anwendungen werden ebenfalls immer schneller entwickelt. Mit der Anpassung der Übertragungsstandards an IoT-Geräte (Internet of Things) war es für Fans kabelloser Anwendungen nie einfacher, sich an die Gestaltung neuer Modulationsschemata zu wagen. Inzwischen sind zudem zahlreiche neue Sensoren verfügbar, die mit kabellosen Verbindungen kombiniert werden können. Diese Technologien sind auch für immer mehr Menschen verfügbar. Sehen wir uns diese Entwicklungen und die Bezugsmöglichkeiten für diese kostengünstige und allgemein verfügbare Technologie jetzt genauer an.

LPWAN-Funktechnologien (Low power wide area network) sind bereits seit mehreren Jahren in der Infrastruktur von Mobilfunknetzen verfügbar. Das NB-IoT (schmalbandiges IoT), LTE-M und LTE-MTC (Long Term Evolution Machine Type Connection) sowie die verbesserte eMTC (Machine Type Communication) sind sehr beliebt. Der Vorteil dieser Technologien besteht darin, dass vorhandene Funkmasten genutzt werden können, die derzeit für Sprachverbindungen und Übertragungen mit hoher Bandbreite eingesetzt werden. Ein Gerät, das nur gelegentlich Mitteilungen sendet und wenig Steuerung erfordert, benötigt keine hohe Bandbreite. Da viele dieser Geräte zudem batteriebetrieben sind, wurden Standards für geringe Leistungen und geringe Bandbreiten zur Unterstützung dieser Technologiestandards erforderlich.

Andere Technologien, die nicht innerhalb bestehender Mobilfunknetze funktionieren und für die neue Infrastrukturen angelegt werden müssen, sind Sigfox, LoRa/LoRaWAN, NB-Fi usw. Der Nachteil dieser Technologien besteht darin, dass sie einen Uplink für die Anbindung an das Internet erfordern. Netzbetreiber bieten diesen Uplink zwar als Service an, dennoch handelt es sich um ein zusätzliches Computernetzwerk, das berücksichtigt werden muss.

Bei den Betreibern der Mobilfunknetze handelt es sich um große Unternehmen. Daher ist es wenig wahrscheinlich, dass es diesbezüglich zu einem effektiven Wettbewerb kommen wird. Die beste Lösung besteht darin, im Rahmen monatlich bezahlter Verbrauchspläne „Zeit“ in ihren Netzen zu erwerben und Modems zu nutzen, die ihren Standards entsprechen.

Diese von Mobilfunknetzen abweichenden Netze können mit überschaubaren Mitteln ausgebaut werden, sind jedoch in Bezug auf die von ihnen abgedeckten Bereiche sehr eingeschränkt. Ihre Abdeckung erstreckt sich erst dann auf die gesamte Welt, wenn sie mit einem Server verbunden werden, der eine Verbindung zum Internet herstellt.

Die gute Nachricht ist, dass der Zugang zu Mobilfunknetzen sowie auch die Chips und Module für die Entwicklung Ihrer eigenen Niedrigleistungsnetze inzwischen bei DigiKey verfügbar sind. DigiKey bietet auch günstige Mobilfunkverträge, die beispielsweise nur 3,00 USD pro Monat für 300 KB Daten und internationalen Service kosten (siehe Abb. 1). Dafür benötigen Sie lediglich ein von einem Mobilfunkanbieter zugelassenes Modem und Ihr Gerät kann online mit der ganzen Welt verbunden werden. Die in diesen Modems enthaltenen Module und Chips sind ebenfalls verfügbar.

Abbildung 1: Mobilfunkverträge von DigiKey

Bei elektronischen Lösungen in Form von Modulen wird auch weiterhin ein rapides Wachstum verzeichnet. Wenn Sie nicht über das erforderliche Fachwissen verfügen, um Entwicklungen auf Chip-Ebene vorzunehmen, können Sie ein vorgefertigtes und zertifiziertes Funkmodul erwerben. Dadurch werden nicht nur die erforderlichen HF-bezogenen technischen Fertigkeiten reduziert, Sie können Produkte auch schneller vermarkten. Als ich neulich die in Modulen verwendeten Chips genauer betrachtete, sah ich mir auch an, welche Kunden sich wofür entschieden. Ich war überrascht, dass Unternehmen, in denen die erforderlichen Fertigkeiten verfügbar sind, nicht nur die in ihren Modulen enthaltenen Chips kauften, sondern auch die kompletten Module. Und zwar jeweils zu Tausenden. Damit wird das Argument gestützt, dass es durchaus von Vorteil sein kann, ein weniger kostenoptimiertes Produkt schneller zu vermarkten, um den Markt für ein neues Produkt zu testen. Wenn der Mark groß genug ist, kann das Produkt bis hin zur Chip-Ebene kostenoptimiert werden. Unter den Chips gibt es jedoch noch eine weitere Ebene, die ich die Wellenform-Ebene nenne.

Mit SDRs (Software Defined Radios) können Entwickler mit komplett neuen Modulationsschemata experimentieren. Wenn bei Ihnen der entsprechende Bedarf besteht und Sie über das erforderliche Fachwissen verfügen, können Sie Ihren eigenen Funkstandard entwickeln. Auch ohne das erforderliche Fachwissen können Sie beim Experimentieren mit einem SDR viel lernen.

Ein solches SDR ist das Analog Devices Advanced Learning Module PLUTO (ADALM-PLUTO) von Analog Devices, das einsatzbereit und versandbereit bei DigiKey verfügbar ist (siehe Abbildung 2). Diese Einheiten kosten weniger als 150 USD (Stand: August 2019). Sie werden über eine USB-Verknüpfung mit einem PC verbunden, beinhalten ein leicht konfigurierbares FPGA und können umfangreiche Unterstützung für die Programmiersprache Python aufweisen. Sie können zudem Signale über einen Bereich von 325 MHz bis 3,8 GHz senden und empfangen. Wenn Sie mehr über HF erfahren und dies verwenden möchten, können Sie auf dieser Ebene starten.

Abbildung 2: ADALM-PLUTO SDR, verfügbar bei DigiKey (Bildquelle: Analog Devices Inc.)

Kehren wir zurück zu den spezifischen Produkten: Hier ist zu erkennen, dass Hunderte Sensoren in der Form von Chips und Modulen immer weiter verbreitet sind. Die nachfolgende Aufzählung enthält Beispiele für Sensoren mitsamt den zugehörigen Bestandseinheiten (SKUs) bei DigiKey (Stand: Veröffentlichung dieses Artikels):

• Näherungssensoren (10.150 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Temperatursensoren - Analog- und Digitalausgang (4256 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Spezialsensoren (914 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Gassensoren (371 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Positionssensoren - Winkel-, lineare Positionsmessung (2961 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Drucksensoren, Wandler (30.778 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Luftfeuchtigkeits-, Feuchtesensoren (570 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Stromsensoren (2033 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Umgebungslicht-, IR-, UV-Sensoren (1240 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Entfernungsmessung (137 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Evaluierungsboards - Sensoren (2589 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Magnetsensoren - Position, Näherung, Geschwindigkeit (Module) (4266 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Optische Sensoren - Fotoelektrisch, industriell (9979 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Bewegungssensoren - Beschleunigungsmesser (1730 Artikel)
• Sensoren, Wandler - Bildsensoren, Kamera (1551 Artikel)

Insgesamt führt DigiKey mehr als 210.000 verschiedene Sensoren.

Jeder dieser Sensoren oder jede Kombination dieser Sensoren kann in ein Produkt integriert werden, das über verschiedene kabellose Optionen mit dem Internet verbunden werden kann.

Ein weiteres Tool für die Unterstützung der Entwicklung kabelloser Produkte ist das DK IoT Studio (siehe Abbildung 3). Dieses RAD-Tool (Rapid Application Development, schnelle Anwendungsentwicklung) ist kostenlos bei DigiKey erhältlich. Aus einer webbasierten integrierten Entwicklungsumgebung (integrated development environment, IDE) können Sie ein einsatzbereites eingebettetes Mikrocomputerboard auswählen, dieses in der IDE konfigurieren und Ihre Konfiguration mit dem IDE-generierten Open-Source-Code auf Ihr Board laden. Das Board kann mit einem Gerät kommunizieren, das per Kabel oder kabellos über Bluetooth oder WLAN mit einem Host verbunden wird und anschließend alle Daten über das Internet an ein gekoppeltes Smartphone senden kann. Für die Skalierung auf größere Umgebungen sind Optionen gegen eine geringe Gebühr verfügbar. Auf maker.io ist beispielsweise ein Online-Projekt zu finden, das einen mit dem Internet verbundenen Jalousien-Controller umfasst. Code für die Modifizierung von DK IoT Studio zum Hinzufügen eigener Funktionen ist hier auf der eewiki Website von DigiKey zu finden.

Abbildung 3: DK IoT Studio von DigiKey

Viel Spaß beim Entwickeln und viel Erfolg dabei, Ihre vernetzten Geräte in das Internet der Dinge zu integrieren.