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Bilder: ST Microelectronics
Sensoren
Mit den Smart-Plug-Reference-Kits kann sehr einfach ein drahtloses 2,4-GHz-MESH-Zigbee-Netzwerk mit beliebig vielen Endgeräten aufgebaut werden.
Der Stromverbrauch aller Geräte und Verbraucher wird in Echtzeit abgefragt, und die Lasten werden entsprechend dynamisch (fern-) gesteuert.
Beispielen, die den Einstieg in ein drahtloses Sensorprojekt deut-
lich erleichtern:
Smart Sensor: Beschleunigungssensoren und drahtlose Über-
■ tragung für Remote-Sensing.
Smart Plug: Drahtlose Kommunikation bei der Strommessung
■ für Smart-Grid-Anwendungen.
Smart Internet: Einbindung von Sensornetzwerken in 6LOWPAN
■ (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network).
Wichtige Aspekte drahtloser Sensornetzwerke sind: Stromverbrauch
der Sensorknoten im drahtlosen Netzwerk, Verfügbarkeit
und Modularität von verfügbarer Software, Reichweite, Verfügbarkeit
von Referenzsystemen, idealerweise mit Modulen und FCCzertifizierten
Hochfrequenzkomponenten, Einbindung in bestehende
Netzwerke bis hinein ins Internet sowie Zuverlässigkeit.
Mögliche Frequenzbereiche
Dabei muss auch die Verbreitung von 2,4-GHz-Technologien gegenüber
proprietären Systemen im Sub-Gigahertz-Bereich geprüft
werden. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile: Bei 2,4 GHz
hat sich Zigbee als Standard auf der oberen Protokollebene mit
Routing-Funktionen und einer Anwenderschnittstelle etabliert.
Ein 2,4-GHz-Zigbee-Funkgerät benötigt zirka 128 kByte Embedded-Memory
für den Softwarestack.
Wesentliche Entwicklungsziele sind geringe Leistungsaufnahme,
Eignung für den Batteriebetrieb, kostengünstige Hardware, sichere
Übertragung, Nutzung der lizenzfreien ISM-Bänder sowie Parallelbetrieb
mit anderen Sendern auf diesen Frequenzen, etwa
WLAN und Bluetooth. Unmittelbar mit Zigbee verbunden ist der
IEEE-Standard 802.15.4. Wichtige Eigenschaften wie stromsparendes
Arbeiten, robuste Modulation zur Erzielung von hohen Reichweiten
und schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten hängen von ihm
ab. Daher eignet sich 802.15.4 vor allem für drahtlose Sensorsysteme
und beschreibt ein Übertragungsprotokoll für Wireless Personal
Area Networks (WPAN). Es ist praktisch der Funkübertragungsstandard
Layer 1+2 (vergleichbar mit Ethernet bei Kabelnetzwerken)
und definiert die untersten beiden Schichten des OSI-Modells,
den Bitübertragungs- und den MAC-Layer. Unterstützte Frequenzen
sind 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz, wobei letztere in diesem
Artikel in den Vordergrund rückt. Der weltweite Markt für IEEE-
802.15.4-funkbasierende Chipsätze wird 2013 laut einer Marktstudie
von ABI Research bei 140 Millionen Dollar liegen.
Durch die unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen
Einsatzmöglichkeiten, kristallisieren sich immer mehr Software-
Protokolle oberhalb der Data-Link-Layer heraus. Entscheidend ist
hier, dass verschiedene Protokolle auf dem MAC (Medium Access
Controller), der im STM32W integriert ist, ausgeführt werden können.
802.15.4-basierende Funktechnologien treiben den Markt für
drahtlose Sensoren an. Verfügbare Protokolle auf diesem MAC-Layer
sind etwa RF4CE, Zigbee PRO oder Zigbee LP.
Hoch integrierte Lösung
STM32W ist ein kompakter 32 Bit ARM-Cortex-M3-basierender
System-on-Chip im QFN 48-Pin-Gehäuse mit integriertem
802.15.4 MAC, 2,4 GHz Funktransceiver, Power-Management für
Low-Power-Modi, integriertem UART, SPI und einem 12-Bit-Sigma-Delta-AD-Wandler.
Diese hohe Integration, gepaart mit einem
Stromverbrauch von weniger als 26 mA bei 3,3 V im Worst Case
bei 8 dBm Sendeleistung sowie reduziertem Verbrauch von weniger
als 400 nA im Tiefschlafmodus, prädestiniert STM32 für den
Einsatz in drahtlosen Sensornetzwerken.
Auf der Software- und Protokollseite wurde der Chip für mehrere
Software-Stacks wie Zigbee PRO und RF4CE zertifiziert. Die
50 elektronik industrie 06/2011
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