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Low-Power-Internetverbindung per Wi-Fi

Ohne Zweifel entwickelt sich das Internet of Things (IoT) doch recht schnell, wobei etliche Applikationen per Funk eingebunden werden. Diese Applikationen arbeiten unter teils sehr verschiedenen Bedingungen und Anforderungen – kein Funkstandard kann alle Anforderungen abdecken und sich durchsetzen.

 

Wi-Fi ist derzeit zwar die am weitesten verbreitete drahtlose Verbindungstechnologie, aber dessen Energieverbrauch und Komplexität machten es den IoT-Entwicklern bisher sehr schwierig, diese Technologie auch oft zu implementieren. Aber neue Hardware macht es wesentlich leichter, Wi-Fi in IoT-Applikationen und batteriebetriebenen Geräten zu integrieren. Es muss aber dabei unter anderem bedacht werden, dass die Verbindungstechnologie möglichst keine Veränderungen an der Stromversorgung notwendig macht, auch wenn diese Kommunikation unweigerlich mehr «Overhead» mit sich bringt.

 

Auswahl der richtigen Batteriegrösse ist signifikantes Problem

 

Weiterhin sollte man nicht übersehen, dass der durchschnittliche Energieverbrauch eines Wi-Fi-Geräts durch das Verhalten des Zugriffspunktes (AP) und durch die Leistung des Netzes, der Cloud oder des Servers stark beeinflusst wird. Viele der Systemparameter und die Systemleistung sind für ein bestimmtes Netz unabhängig voneinander. Daher erfordert die Optimierung des Energieverbrauchs eines Wi-Fi-Systems ohne Einschränkung der Systemstabilität das tiefe Verständnis der Plattformapplikation, des Datenverkehrsmodells und der Netzeigenschaften.

 

Hinsichtlich batteriebetriebener Produkte ist die Auswahl der richtigen Batteriegrösse ein signifikantes Problem. Mit gewissen Modifikationen kann man die Batterielaufzeit gegenüber den Performanceaspekten den Vorrang geben. Eine längere Batterielaufzeit erfordert aber nicht nur die Optimierung des Energiespitzenverbrauchs, sondern auch die optimale Einstellung des durchschnittlichen Stromverbrauchs.

 

Zahlreiche Parameter steuern Energieverbrauch

 

Zu diesem Thema veröffentlichte Texas Instruments unter dem Titel «Low-power Internet connectivity over Wi-Fi» einen interessanten Applikationsbericht, der sowohl die Einflussfaktoren hinsichtlich des Energieverbrauchs darlegt als auch die sich daraus ergebenden Designüberlegungen erläutert. Dargelegt werden die hauptsächlichen Faktoren für eine typische IoT-Applikation, um einen ausreichend geringen Energieverbrauch zu erzielen.

 

Der Energieverbrauch eines IoT-Produkts lässt sich durch das Datenverkehrsmodell, Netzeigenschaften und Einschränkungen bei der Plattform analysieren. Das Profil des durchschnittlichen Energieverbrauchs ist somit unterschiedlich. In mehr als 15 Abschnitten beschreibt der Applikationsbericht diejenigen Parameter, die den Energieverbrauch eines Wi-Fi-Systems beeinflussen.

 

Das Datenverkehrsmodell beschreibt den Fluss der Daten oder Pakete über das Netz. Der Paketfluss wird durch den durchschnittlichen Durchsatz bestimmt, den die entsprechende Applikation fordert. Weitere Bedingungen sind die erforderliche Reaktionsverzögerung, der Betriebszyklus und ob die Daten per Burstmode oder kontinuierlich übertragen werden.

 

TCP bietet eine zuverlässige Nachrichtenübertragung

 

Das Protokoll bezieht sich auf das Paket-/Nachrichtenformat und den Handshake mit dem Server. Jedes im Netz übertragene Paket hat Overheadbits. Das Paketformat beinhaltet den Paketkopf und die zu übertragenden Daten. TCP und UDP sind Transportschichtprotokolle für die Datenübertragung auf dem Internet. TCP benötigt vor der Datenübertragung den Aufbau einer Verbindung. Es bietet eine zuverlässige Nachrichtenübertragung. Der TCP-Overhead ist daher umfangreicher aufgrund des grösseren Headers und der erforderlichen Datenbestätigung. Das alles erhöht den Energieverbrauch.

 

UDP ist dagegen ein verbindungsfreies Protokoll. Es gibt in diesem Fall keine Garantie, dass ausgesandte Nachrichten ihr Ziel erreichen. UDP hat einen kleineren Overhead und benötigt kein «ACK» vom Server. Daraus ergibt sich ein geringerer Energieverbrauch.

 

Folgende Themen werden in der Applikationsschrift «Low-power Internet connectivity over Wi-Fi» ausführlich erläutert: Datendurchsatz, Latenzreaktion, Push- oder Pull-Betrieb, Bursttransfer, Betriebszyklus, Stromversorgung, Platzbedarf, Netzeigenschaften, Netzkapazitäten und -lasten und Linkbudget.

 

SimpleLink-Wi-Fi-Internet-on-Chip

 

Mit dem SimpleLink-Wi-Fi-Internet-on-Chip von TI kann der Entwickler die Vor- und Nachteile zwischen einer «Dauerverbindung» und einer «Wiederverbindung» zum Beispiel für einen Sensor im IoT-Bereich berechnen. Der SimpleLink Wi-Fi CC3200 ist eine hochintegrierte, wireless MCU. Neben einem Applikationsprozessor verfügt dieser IC über ein On-Chip-Wi-Fi-Subsystem, einen Netzwerkstack und eine robuste «Sicherheits-Engine». Hinzu kommen einige Peripherieelemente. Die Entwicklung eines Temperatursensors mit nur einem IC ist damit zum Beispiel machbar. 

 

Applikationsschrift: 16_17.01.pdf

 

Infoservice

 

Texas Instruments Deutschland GmbH

Haggertystrasse 1, DE-85356 Freising

Tel. 0049 8161 984 40, www.ti.de