Ultra Low Power Chip bringt mehr Wearables in das IoT

| Autor / Redakteur: Jakob Nielsen * / Rainer Graefen

Bild 1: Wenn Wearables über das IoT miteinander kommunizieren, ist bestmögliches Power-Management gefragt.
Bild 1: Wenn Wearables über das IoT miteinander kommunizieren, ist bestmögliches Power-Management gefragt. (Bild: ON Semi)

Versteht man Wearables künftig als Teil des IoT, dann sind Reichweite und Nutzungsdauer eng mit dem Thema Stromversorgung und Energieeffizienz verknüpft. Das Power Management rückt in den Vordergrund.

Nachfolgend skizziert der Artikel den Low-Energy-Systembaustein RSL10, ein Multi-Protokoll-Bluetooth-5-Chip zur Drahtloskommunikation im Internet der Dinge (IoT, Internet of Things). Mit seiner Hilfe kommunizieren angeschlossene batteriebetriebene Wearables wie Gesundheits- und Wellnessgeräte energiesparend im Internet der Dinge. Intelligente Stromregelung für einen optimierten Stromverbrauch stehen somit im Mittelpunkt des Bausteins mit der derzeit branchenweit wohl geringsten Leistungsaufnahme.

Im Gesundheits- und Wellnessbereich (Healthcare) entstehen neue Ansätze, die es Ärzten oder medizinischem Fachpersonal ermöglichen, die Einhaltung eines Behandlungsplans aus der Ferne zu überwachen.

Werden Sensoren zu einem medizinischen Gerät hinzugefügt, die erkennen, wann dieses von einem Patienten verwendet wird, und anschließend diese Information an den Arzt und/oder den Patienten selbst übertragen, lässt sich der Gesundheitszustand analysieren oder abklären, ob die vorgeschriebene Behandlung verfolgt wird.

Ärzte können somit ein Rezept anpassen und die Genesung des Patienten verbessern – und das alles aus der Ferne.

Im Industriebereich hilft vernetzte Technik den Herstellern, indem Daten von Geräten oder anderen Einrichtungen gesammelt werden. So können IoT-Lösungen mit Sensoren während des normalen Betriebs wichtige Parameter in Produktionsanlagen überwachen und Daten oder Warnungen über den Betriebszustand von Einrichtungen auf die Aspekte Temperatur und Druck hin überprüfen.

Aufbau eines IoT-Systems und Nachrüsten für IoT-Tauglichkeit

Unabhängig von der Branche oder Anwendung ist der allgemeine Aufbau der meisten IoT-Systeme identisch (Bild 2). Bei dem gewählten Healthcare-Beispiel könnte das vernetzte Gerät ein Blutzucker-Messgerät sein; der Nutzer vor Ort ist das Smartphone des Patienten, das die gemessenen Daten über das Internet zur Verfügung stellt, wobei eine Analyseeinrichtung diese Daten nach einem vordefinierten Algorithmus interpretiert.

Zu jedem Zeitpunkt kann ein entfernter Benutzer auf die von der Analyseeinrichtung aufbereiteten Informationen über einen Standard-Web-Browser oder eine App zugreifen.

Bei der Umsetzung stehen Entwickler meist vor der Herausforderung, die IoT-Technik in eine bestehende Infrastruktur zu integrieren. Betrachten wir ein Unternehmen, das seine Maschinen dem Internet zugänglich macht und Datenerfassung und -analyse nutzen will, um die Produktion zu optimieren.

Aufgrund der zusätzlichen Kosten und der Gefahr von Produktionsausfällen ist es unwahrscheinlich, dass das Unternehmen einfach neue IoT-fähige Maschinen kaufen wird. Vielmehr ist es einfacher und günstiger, wenn vorhandene Maschinen mit IoT-Hardware, funkbasierter Kommunikation und Software nachgerüstet werden.

Wesentliche Überlegungen bei der IoT-Entwicklung

Obwohl es zahlreiche Halbleiterlösungen für IoT-Anwendungen gibt, müssen Entwickler immer noch wichtige Entscheidungen hinsichtlich der Anforderungen auf Systemebene treffen. Überlegungen wie Stromversorgungen und Stromverbrauch, Lebensdauer, Funkreichweite, Datendurchsatz, physikalische Größe, Wartungsbedarf im Feld und die bestehende Kommunikationsinfrastruktur spielen eine wichtige Rolle, wenn es um die Wahl der Bausteine und des Designs geht. Zusätzliche Auswahlkriterien wie das einfache Design-in, die Umsetzung und die Flexibilität für zukünftige Generationen der Anwendung sind weitere technische Überlegungen.

In vielen Fällen ist das zu vernetzende Gerät bzw. System klein und batteriebetrieben, was den Stromverbrauch und damit die Batterielebensdauer zu einem wesentlichen Design-Kriterium machen. Entwickler müssen oft auf eine definierte Betriebsstundenzahl für die aktive Nutzungsdauer eines Gerätes sicherstellen. Damit rückt die Auswahl des bestmöglichen Power-Management- und Funk-ICs in den Vordergrund. Auch die Datenübertragung zu einem lokalen Empfänger stellt klare Anforderungen an die Schaltungstechnik. Zum Einsatz kommt in der Regel das Bluetooth-Low-Energy-Protokoll (BLR), da es als Standard-Funkprotokoll in die meisten Smartphones integriert ist.

Energieeffiziente Chips sind Basis der IoT-Integration

Der schnell wachsende IoT-Markt für BLE-basierte Funkanbindung benötigt eine sehr leistungsstarke Halbleitertechnologie, die den genannten Anforderungen der Entwicklung entspricht. Hoher Datendurchsatz, stromsparender Betrieb und ein hochintegriertes Design, das einen kleinen Formfaktor garantiert, um immer kleinere Platzverhältnisse zu bedienen, wie es vor allem im Bereich der Wearables der Fall ist, sollten die Merkmale eines IoT-Halbleiterangebots sein.

In diesem Sinne hat ON Semiconductor den Baustein RSL10 für BLE-basierte IoT-Anwendungen optimiert. Der vor kurzem vorgestellte SoC bietet Datenübertragungsraten, die im Vergleich zu vorherigen Generationen doppelt so hoch sind. Auf einem Footprint von 6 mm2 integriert der Chip Bluetooth-Low-Energy, einen DSP und zusätzliche Funktionen. Er basiert auf einem leistungsstarken ARM-Cortex-M3-Prozessor und erleichtert die lokale Datenverarbeitung vernetzter Systeme, bevor die Daten in die Cloud verschickt werden.

Der Systembaustein RSL10 ist als Multi-Protokoll-Bluetooth-5-Chip derart konzipiert, dass er eine drahtlose Konnektivität mit dem IoT und angeschlossenen Wearables wie Gesundheits- und Wellnessgeräten ermöglicht. Bei der Entwicklung des IC wurde besonders auf einen ungewöhnlich geringen Stromverbrauch geachtet. Das SoC ist speziell für Applikationen mit 1,2- und 1,5-V-Batterien ausgelegt und unterstützt einen Spannungsbereich von 1,1 bis 3,6 V ohne einen externen DC/DC-Wandler. Der hochintegrierte Baustein RSL10 besitzt eine Doppelkern-Architektur und einen 2,4-GHz-Transceiver, der die Flexibilität zur Unterstützung von Bluetooth-Niedrigenergie-Technologie und 2,4 GHz proprietären oder benutzerdefinierten Protokollen bietet.

Über den Distributor Mouser Electronics stellt ON Semiconductor das Evaluationboard mit der Bezeichnung RSL10-001GEVB für die Entwicklung von Drahtlos-Applikationen zur Verfügung. Es bietet Zugriff auf alle Ein- und Ausgänge über Standard-Stiftleisten von 0,1 Zoll. Das RSL10-001EVB hat eine integrierte Kommunikationsschnittstelle, die einen Datenaustausch mit der Platine eines Host-PC ermöglicht. Das Evaboard besitzt außerdem einen integrierten 4-Bit-Pegelschieber für die Fehlerbeseitigung, der den E/A-Signalpegel des RSL10 SoC auf den digitalen Logikpegel 3,3 V umsetzt.

DC/DC-Wandler mit seiner intelligenten Stromregelung

Da zahlreiche IoT-Anwendungen batteriebetrieben sind (meist kleine Systeme mit 1 bis 3 V Betriebsspannung) müssen alle Komponenten einer IoT-Lösung wie eingangs erwähnt äußerst stromsparend sein; das gilt auch für die anderen Halbleiterbauelemente. Im Falle des RSL10 sorgt der integrierte DC/DC-Wandler mit seiner intelligenten Stromregelung für einen optimierten Stromverbrauch und bietet zudem die Möglichkeit, andere Teile des Systems mit den entsprechenden Spannungen zu versorgen.

BLE-Funk-SoCs wie der RSL10 sind nur für kurze Zeit in Betrieb, um Daten in kleinen Intervallen zu senden und zu empfangen. Die restliche Zeit verbringen sie im Sleep-Modus. Ein minimaler Stromverbrauch, ohne die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen, ist in diesen Betriebszuständen und vor allem während des Sleep-Modus entscheidend, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

* * Jakob Nielsen ist Product Line Manager bei ON Semiconductor, Phoenix/Arizona. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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