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Embedded-Systeme & Mikrocontroller Hardware fürs Internet der Dinge

13.06.2014

Kein einziges Unternehmen kann für sich beanspruchen, die Konzepte Machine-to-Machine sowie Internet of Things zu „besitzen“. Daher wird für die Entwicklung und den Fortschritt dieser Visionen eine enge Zusammenarbeit zwischen Unternehmen aus verschiedenen Bereichen erforderlich sein. Die große Verbreitung von Smartphones, preisgünstigen Computern und Konnektivität bietet viele Geschäftschancen.

Die technischen Möglichkeiten zum Realisieren des Internet of Things (IoT) existieren bereits. So kann zum Beispiel Massenprodukten eine „Intelligenz“ in Form von Mikrocontroller (MCU/MPU) und Sensoren verliehen werden. Diese erkennen dann die Umgebung und übermitteln Informationen zum Verarbeiten an den Controller. „Dinge“ werden so mit einem künstlichen Gehirn ausgestattet, das mit der Cloud verbunden ist, von wo aus die „Dinge“ gesteuert und ihnen verschiedene Aufgaben zugewiesen werden können. Eine Folge davon ist, dass der Markt weit mehr Smart Chips benötigen wird, als dies heute der Fall ist. Smart Chips werden im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt: Steuerung, Sensorik und Konnektivität. Interessant ist dabei, dass jede dieser Kategorien als „Blue Ocean“ definiert werden kann. Das bedeutet, dass in einem konkurrenzlosen Marktraum eine neue Nachfrage geschaffen wird – ein Konzept, das von W. Chan Kim im Jahr 2005 entwickelt wurde.

Steuerkomponenten

Chips mit Steuerkomponenten sind das „Gehirn“ des Betriebs. Intel und AMD dominieren den PC- und den Server-Markt. Auf dem Handymarkt hat Qualcomm eine Führungsposition eingenommen sowie Unternehmen wie Apple, Samsung und Broadcom.Am unteren Ende können Mikrocontroller zwischen 8-Bit-Prozessoren, die speziell für die Steuerung einer Mikrowelle entwickelt wurden, und komplexeren Chips wie zum Beispiel 32-Bit- oder Mehrkernprozessoren variieren. Letztere werden in TV-Konvertern, auch bekannt als Set-Top-Box, eingesetzt. Unternehmen wie Texas Instruments, Freescale, NXP, STMicro, Atmel und andere verfügen alle über MCUs, die dabei helfen können, dass das IoT Formen annimmt. Die große Breite von Einsatzszenarien sowie der Einsatz von Komponenten innerhalb von vernetzten Baugruppen bedeuten derzeit allerdings, dass die Geräte mehr Strom benötigen, als sie in der Leistung sparen, oder nur billige 32-Bit-Chips eingesetzt werden können, die eher für industrielle Anwendungen entwickelt wurden.

Viele der oben genannten Unternehmen haben hier einen Wettbewerbsvorteil, da sie in einer Vielzahl von Endprodukten ARM-Hardware-Software-Lösungen verwenden. Die großen Hersteller haben zwar alle eine eigene Architektur entwickelt, aber konsolidieren sich heutzutage und fusionieren zu einer modularen ARM-Plattform. Mikrocontroller-Hersteller werden hingegen viele Chipsortimente mit vielfältigen Leistungsspezifikationen herstellen müssen, die eine breite Palette von Endgeräten unterstützen. Alle wollen im Bereich MCU tätig sein, und der Silizium-Preiskrieg drängt sie alle dazu, die besten, am einfachsten erhältlichen und gebräuchlichsten ARM-Ressourcen zu nutzen. Mehrere große Anbieter werden versuchen wollen, dieses Know-how zu kaufen – insbesondere hinsichtlich der Konnektivität.

Sensoren in Smartphones und Tablets

Die Sensoren in Smartphones und Tablets von denen wir sprechen sind: Mikrofone, Beschleunigungssensoren, Gyrosensoren, Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren sowie Licht- und Temperatursensoren. In der Vergangenheit waren viele davon komplex und groß. Heute aber sind sie praktisch, preiswert und klein, womit sich erklären lässt, warum sie in allen vorhandenen Produkten zu finden sind – auch in Produkten mit Batterie- beziehungsweise Akkustromversorgung. Einige der Namen in diesem Bereich sind gut bekannt: zum Beispiel STMicroelectronics, LG, Samsung und Freescale, andere Akteure sind Fairchild Semiconductor, Bosch Sensortec, Knowles Electronics, InvenSense, Hamlin und Honeywell.

Ein neuer, revolutionärer Bildsensor von Texas Instruments ist der 3D-Time-of-Flight-Chip. Der Chip enthält einen 3D-Sensor und verfügt über die DepthSense-Pixeltechnologie von SoftKinetic. Diese bietet eine höhere Empfindlichkeit und bessere Bewegung, um eine präzise Finger-, Hand- und Körpernachverfolgung zu ermöglichen. Der 3D-Time-of-Flight-Chip ist im Inneren einer Kamera, die einen Laptop oder einen Smart-TV steuert und den Zugriff auf sowie die Navigation von Filmen, Spielen und anderen Inhalten mit einer einfachen Geste ermöglicht. Diese Technologie kommt gerade auf den Massenmarkt und läutet damit eine neue Art und Weise ein, wie wir mit unseren Alltagsgeräten kommunizieren.

Aufgrund der zusätzlichen Funktionalitäten wie MCU, Sensor und Funk müssen die Technologien miniaturisiert und in einer einzigen Komponente zusammengeführt werden. Das Inemo-M1 ist das erste 9-Achsen-Bewegungssensor-System-on-Board (SoB) der Inemo-Modulfamilie von STMicroelectronics. Es integriert mehrere MEMS-Sensoren von ST mit einem leistungsstarken Rechenkern: einen 6-achsigen digitalen Erdmagnetfeld-Sensor, ein digitales 3-Achsen-Gyroskop mit einem ARM-Cortex-M3-32-Bit-MCU. Dieses 9-Freiheitsgrade-Inertialsystem stellt eine vollständig integrierte Lösung dar, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann wie in der Robotik, der persönlichen Navigation, in Spielen sowie tragbaren Sensoren für medizinische Zwecke, Sport und Fitness.

Einen vollständigen Satz von Kommunikationsschnittstellen und Bewegungserfassungsfähigkeiten in einem kleinen Format (13 mm x 13 mm x 2 mm) und die Möglichkeit zum Einbetten von ST‘s Software zur Sensordatenzusammenführung machen das Inemo-M1-System-on-Board zu einer flexiblen Lösung für hohe Leistung, problemlose Richtungserfassung und Anwendungen mit Bewegungsnachverfolgung. STMicroelectronics war Vorreiter beim Konzept des IoT und hat Komponenten produziert, die so entwickelt wurden, dass sie klein und billig sind, aber hohe Kapazitäten haben. Zum Beispiel hat das Unternehmen einen revolutionären Chip auf den Markt gebracht, der einen Beschleunigungssensor mit einer MCU (Cortex Mo) integriert.

Ganz gleich also, ob es sich um MEMS, Miniatur-MCUs oder Funk handelt: Eine Menge von Silizium – oder vielleicht Galliumarsenid – wird dem IoT helfen, Formen anzunehmen. Die Arten von benötigten Chips, werden die Siliziumbranche in neue Bahnen lenken. Die Leistungsanforderungen gemäß dem Moore'schen Gesetz werden sie dabei nicht links liegen lassen.

Konnektivität

Bei der vielleicht eindeutigsten Kategorie von allen geht es darum, Konnektivität herzustellen. Es ist leicht verständlich, dass, wenn wir eine Verbindung mit dem Internet aufbauen möchten, eine bestimmte Art von drahtloser Kommunikation in allen Endgeräten vorhanden sein muss. Dies könnten Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee oder auch Standard-Mobil-3G oder -4G oder alle oben genannten sowie weitere Arten der Kommunikation sein, die in nächster Zukunft für den speziellen Bedarf im Zusammenhang mit dem Aufkommen des Internets der Dinge entwickelt werden wie etwa BLE (Bluetooth Low Energy). Der Zuwachs bei vernetzten Geräten ist der Grund dafür, dass bestimmte Unternehmen als Vorreiter angesehen werden: zum Beispiel Qualcomm, das 2011 Atheros übernommen hat, und Atmel, das 2012 Ozmo gekauft hat.

Das Ziel der neuen Produkte ist die Integration von funkgestützten Geräten mit Chips – und nicht nur von Broadcom, das sehr bekannt für seine Funkintegrationsfähigkeiten ist, sondern auch von kleineren Unternehmen wie Redpine und Altair. Diese Funktechnologien werden in weitere Produkte, die wir alle kennen, eingebettet werden. Ein schneller Überblick zeigt eine Fülle von verfügbaren Wi-Fi-Geräten und -Sensoren, die über eingebettete Funkmodule von einer Vielzahl von Anbietern verfügen.

Funktechnologie auf dem Vormarsch

Ein Bericht über das IoT von der OECD schätzt, dass eine vierköpfige Familie heutzutage im Schnitt zehn mit dem Internet verbundene Geräte benutzt. Diese Nutzung wird sich auf 25 Geräte 2017 und 50 im Jahr 2022 erhöhen. In jedem davon wird ein Funkmodul oder ein Gerät, das vielen Arten von Drahtlosverbindungen integriert, eingebaut sein. Bereits heute integrieren Smartphones viele Arten der Kommunikation wie etwa Bluetooth, BLE, Wi-Fi, NFC, RFID und so weiter. Viele Hersteller arbeiten an der Integration verschiedener Technologien in einem einzigen Chip. Zum Beispiel hat Redpine vor kurzem eine komplette Baureihe von RS9113-M2M-Combo-Komponenten auf der Grundlage von 802.11abgn 1x1 + BT 4.0 + ZigBee in einem einzigen Chip eingeführt.

In der Vergangenheit funktionierten Funkkomponenten nur auf Sender/Empfänger-Basis. Heute integrieren die Hersteller Funkkomponenten mit ARM-Prozessoren. Zum Beispiel hat Texas Instruments eine Baureihe von CC26xx-Chips entwickelt, die eine BLE-Verbindung mit einem Cortex-M3-Prozessor kombiniert, während die Funkkomponenten von Freescale (HF/Zigbee) mit einer Cortex-M4-MCU der KW-Familie kombiniert werden.

STMicroelectronics hat die BlueNRG-Komponente entwickelt, die Cortex-M0 mit Bluetooth-Spezifikation v4.0 verbindet. Die BlueNRG kann als Master oder Slave fungieren. Der gesamte Bluetooth-Low-Energy-Stapelspeicher läuft auf dem integrierten Cortex-M0-Kern. Der nicht-flüchtige Flash-Speicher gestattet eine Aktualisierung im Einsatz. Die BlueNRG ermöglicht es, dass Anwendungen den empfohlenen strengen Stromspitzenanforderungen für die Verwendung von Standard-Knopfzellen entsprechen können. Die maximale Stromspitze liegt bei 10 mA bei 1 dBm Ausgangsleistung. Ruhemodi mit extrem geringem Energiebedarf sowie sehr kurze Übergangszeiten zwischen den einzelnen Betriebsmodi ermöglichen einen sehr niedrigen durchschnittlichen Stromverbrauch, was zu einer längeren Batterielebensdauer führt. Die BlueNRG bietet die Möglichkeit der Verbindung mit externen Mikrocontrollern unter Verwendung einer SPI-Transportschicht.

IoT erfordert neue Komponenten

Die Hardware-Industrie wurde auf breiter Ebene dafür gepriesen, dass doch nun alles auf dem Markt erhältlich sei. Wir hören oft, dass es nicht mehr notwendig ist, Hardware herzustellen, sondern nur noch Software zu schreiben. Allerdings verändert das Konzept des Internets der Dinge die Spielregeln und bringt die Branche dazu, Komponenten zu entwickeln und herzustellen, die vorher noch nicht existiert haben. Die Hightech-Branche ist sehr zyklisch und wird immer von Marktschwankungen beeinflusst sein, aber die IoT-Vision wird der Branche in den nächsten Jahren höchstwahrscheinlich einen Aufschwung bescheren.
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Bildergalerie

  • Abbildung 1: Das Inemo-M1 ist ein 9-Achsen-Bewegungssensor-System-on-Board (SoB), das einen 6-achsigen digitalen Erdmagnetfeld-Sensor, ein digitales 3-Achsen-Gyroskop mit einem ARM-Cortex-M3-32-Bit-MCU verbindet.

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