Niedrigstrom-Wireless-Technologien für Ihr zukünftiges Gerät: Auswahlleitfaden

Wie wählt man die beste drahtlose Technologie aus Dutzenden von verfügbaren Optionen aus, um die maximale Batterielebensdauer für Ihr tragbares Gerät oder Ihren intelligenten Sensor zu gewährleisten? In diesem Artikel beantworten wir diese Frage, indem wir acht der beliebtesten Niedrigstrom-Technologien betrachten, die wir zur Entwicklung energiesparender Lösungen für unsere Kunden eingesetzt haben: LoRaWAN, NB-IOT, Z-Wave, Zigbee, Bluetooth Low-Energy, Wi-Fi HaLow, LTE-M und SigFox. Wir vergleichen ihre Datenübertragungsrate, die Anzahl der angeschlossenen Geräte, den Anwendungsbereich, die wichtigsten Merkmale und Nachteile.

Der Trend zur Energieeinsparung gewinnt aufgrund wirtschaftlicher und ökologischer Faktoren an Bedeutung. In der Elektronik- und Softwareentwicklung wird das Bedürfnis nach Energieeinsparung besonders relevant für tragbare Geräte und intelligente Sensoren, die eine Balance zwischen qualitativ hochwertiger drahtloser Kommunikation und niedrigem Energieverbrauch finden müssen. Infolgedessen werden Niedrigstrom-Wireless-Technologien (LPWAN) immer gefragter.

Beginnen wir mit den grundlegenden drei Arten der drahtlosen Kommunikation, um die verfügbaren Technologien besser zu verstehen:

• Wireless Personal Area Network (WPAN) mit kurzer Reichweite (bis zu mehreren Dutzend Metern);
• Wireless Local Area Network (WLAN) zur Verteilung von Signalen mehrerer Objekte mit Hochfrequenz-Radiowellen;
• Wireless Wide Area Network (WWAN), das große Entfernungen abdeckt. 

LPWANs gehören zu einer separaten Kategorie und umfassen WPAN- und WLAN-Standards mit niedrigem Energieverbrauch.

^{Arten und Reichweiten von drahtlosen Technologien mit geringem Stromverbrauch}
 

Niedrigstrom-Wireless-Technologien ermöglichen die Kommunikation zwischen Objekten über große Entfernungen, jedoch ist die Datenübertragungsrate relativ gering (50 kbit/s oder weniger). Geräte mit dieser Art der Kommunikation verbrauchen weniger Energie, nutzen sie langsamer und können lange ohne Aufladung arbeiten.

IoT-Geräte, wie Ausrüstungen für intelligente Häuser und Städte, sind die besten Beispiele für die Verwendung von drahtloser Kommunikation mit niedrigem Energieverbrauch. Diese Technologien werden in Beleuchtungssystemen, Wasserversorgung, Videoüberwachung, Heizung und Umweltüberwachung eingesetzt. Weitere beliebte Anwendungsbereiche sind intelligente Zähler, Bezahlgeräte und verschiedene Sensoren. 

Es gibt viele Lösungen für Niedrigstrom-Wireless-Technologien, was die Auswahl unweigerlich erschwert. In diesem Artikel betrachten wir die beliebtesten Technologien, die wir beim Design von Massenproduktionsgeräten für Telekom-Netzwerke, Industrieautomatisierung und Verbrauchermärkte verwendet haben:

1. LoRaWAN;
2. NB-IOT;
3. Z-Wave;
4. Zigbee;
5. Bluetooth Low-Energy;
6. Wi-Fi HaLow; 
7. Sigfox;
8. LTE-M.

1. LoRaWAN = Long Range Wide-Area Networks

LoRaWAN ist ein LPWAN-Protokoll für die Datenübertragung über große Entfernungen (bis zu 10–15 Kilometer), das auf dem offenen LoRa-Standard basiert. Es wird in IoT-Geräten und anderen Projekten als Alternative zu Netzwerken verwendet, die aufgrund fehlender Abdeckung, Entfernungen oder hoher Verkehrskosten nicht bereitgestellt werden können. 

Dieser Standard wird meist verwendet, um eine große Anzahl von Industriegeräten mit niedrigem Energieverbrauch zu verbinden, die regelmäßig kleine Datenmengen übertragen. Der Vorteil dieses Netzwerks ist die große Reichweite und die Möglichkeit, Lösungen in dicht bebauten Gebieten zu implementieren, was es für den Einsatz in Umweltüberwachungssystemen in großen Städten, Industrie- und Agrargebieten sowie in Nationalparks geeignet macht.

Fallstudie: Luftqualitätsüberwachungssystem

Ein Beispiel für die Implementierung von LoRaWAN ist die Entwicklung von Promwad für eine "Smart City" – Geräte zur Überwachung der Luftqualität. 

^{Das Promwad-Projekt für eine „intelligente Stadt“: ein System zur Überwachung der Luftqualität. Es überwacht und analysiert Indikatoren für die Luftqualität.} 
 

Die Funktion solcher Geräte mit LoRaWAN-Unterstützung besteht darin, Luftqualitätsindikatoren zu messen und diese Daten zur Analyse an einen Cloud-Server zu senden. Das Ergebnis ist eine Echtzeit-Karte der Luftverschmutzung. 

2. NB-IoT = Narrow Band Internet of Things

NB-IoT ist ein Mobilfunkstandard, der im Rahmen des 3GPP-Konsortiums für Geräte mit geringem Datenvolumen entwickelt wurde. Die erste Spezifikation wurde 2016 veröffentlicht. 

NB-IoT verbindet eine große Anzahl (zehntausende) autonomer Geräte, wie Sensoren in einem Smart-Home-System, medizinische Sensoren oder Ressourcenzähler. Dieser Standard funktioniert auch bei hohem Rauschen und überträgt kleine Datenmengen, d. h., er ist nicht für große Informationsströme wie Video und Audio geeignet.

Die Kosten für NB-IoT-fähige Geräte sind relativ niedrig, ebenso wie ihr Energieverbrauch. Zu den Nachteilen zählen die niedrige Geschwindigkeit beim Empfangen und Übertragen von Informationen sowie Verzögerungen im Energiesparmodus.

3. Z-Wave

Z-Wave ist ein patentiertes Funkprotokoll für die Automatisierung von Büros, intelligenten Häusern und kleinen Industriegebieten. Es ermöglicht die Datenerfassung von Zählern, die Steuerung von Bewegungssensoren und Heizungen sowie das Ein- und Ausschalten von Lasten bis zu 3,5 kW. Die ersten Geräte mit Unterstützung dieses Protokolls erschienen 2001. 

Die Anzahl der über Z-Wave verbundenen Geräte beträgt etwa 200, was den Einsatz in großen Projekten einschränkt. Außerdem müssen sich die verbundenen Geräte in kurzer Entfernung von der Basisstation befinden: 30–120 m.

Das Z-Wave-Netzwerk bietet ein hohes Maß an Sicherheit – es wird dieselbe Verschlüsselung wie bei Online-Banking-Systemen verwendet.

Diese Art der Kommunikation ist rauschresistent und einfach zu implementieren, hat jedoch eine geringe Datenübertragungsrate und ist nicht für dicht besiedelte städtische Gebiete geeignet. 

4. BLE = Bluetooth Low-Energy

Bluetooth Low-Energy ist eine WPAN-Technologie und eine Bluetooth-Spezifikation aus dem Jahr 2009, die im Spitzenlast- und Standby-Modus wenig Energie verbraucht. Diese Art der drahtlosen Verbindung kann zur Übertragung kleiner Datenmengen mit langen Intervallen und über kurze Entfernungen verwendet werden, d. h., die meiste Zeit befindet sich das Gerät im Schlafmodus. 

Ein wesentlicher Nachteil ist, dass die Bandbreite in dicht besiedelten städtischen Gebieten verringert wird. 

Mit BLE können Geräte ohne lange Ladezeiten oder mit einer Miniaturbatterie über lange Zeiträume hinweg betrieben werden. Dadurch wird die Größe des Endgeräts reduziert. Diese Technologie eignet sich für Sensoren im Gesundheitswesen, Sport und zur Umweltüberwachung – beispielsweise zur Erfassung von Temperatur, Feuchtigkeit, Licht und Bodenfruchtbarkeit.

Das Promwad-Team hat im Auftrag der französischen Firma Parrot ein Bluetooth-Gerät entwickelt, das Daten von intelligenten Sensoren über BLE sammelt und an einen Server überträgt. Das Gerät wird in einem System zur automatischen Bewässerung und zur Überwachung des Zustands von Zimmerpflanzen verwendet: Es überträgt Daten über die Lichtintensität, Feuchtigkeit und den Mineralgehalt des Bodens. 

^{Dieses Netzwerkgerät mit BLE-Sensoren hilft, den Zustand des Bodens für Zimmerpflanzen zu überwachen} 
 

In diesem Projekt entwickelten wir ein Gehäuse, entwarfen eine Hardwareplattform, entwickelten Software und stellten Prototypen her. Unser Kunde erhielt ein kompaktes Gerät mit geringem Energieverbrauch und der Unterstützung von Bluetooth Low-Energy.

5. Zigbee

ZigBee ist ein drahtloses WPAN-Kommunikationsprotokoll, das auf dem IEEE 802.15.4-Standard für die Heim- und Industrieautomatisierung basiert und 2003 entwickelt wurde. Diese Technologie ähnelt Bluetooth, da sie im gleichen Frequenzbereich arbeitet.

Im Vergleich zu Bluetooth verbinden sich ZigBee-fähige Geräte schneller mit dem Netzwerk: 30 Millisekunden gegenüber 3 Sekunden. Dies hilft, den Batterieverbrauch zu reduzieren und ermöglicht ein schnelleres Wechseln in den Schlafmodus. 

ZigBee ist einfach zu implementieren und bietet ein hohes Maß an Störungsresistenz und Sicherheit. Allerdings hat es eine niedrige Datenübertragungsrate und eine geringe Bandbreite in dicht bebauten Gebieten. 

6. Wi-Fi HaLow

Wi-Fi ist eine WLAN-Technologie, die auf dem IEEE 802.11-Standard basiert. Ursprünglich wurde Wi-Fi entwickelt, um eine drahtlose Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit zu gewährleisten, nicht jedoch, um den Energieverbrauch zu senken. Mit der Entwicklung des IoT und steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz wurde 2017 das IEEE 802.11ah-Protokoll oder Wi-Fi HaLow als Niedrigenergie-Wireless-Verbindung vorgestellt. Diese Version von Wi-Fi arbeitet in einem Frequenzbereich von weniger als 1 GHz.

• Target Wake Time (TWT).
• Restricted Access Window (RAW) – Der Zugangspunkt kann Datenvorrechte für bestimmte Gruppen von Stationen erteilen, während andere im Schlafmodus bleiben
• Basic Service Set (BSS) – Ein erweiterter Satz von Grunddiensten, die im Standby-Modus bleiben können.

Wi-Fi HaLow bietet eine recht hohe Datenübertragungsrate von bis zu 200 Mbit/s und eignet sich daher gut für die Bereitstellung von Lösungen in der Stadt,  während es weniger Energie als traditionelle Wi-Fi-Standards verbraucht.

Fallstudie: Zutrittssystem für ein Hotel ohne Personal mit Wi-Fi HaLow

Durch die automatische Ein- und Auscheck-Funktion kann das Hotel die Kosten für das Wartungspersonal erheblich senken und gleichzeitig die Energiekosten minimieren. 

^{Promwad implementierte ein skalierbares Zugangs- und Sprachsystem für einen Hotelkomplex mit Wi-Fi HaLow.}

Unsere technische Lösung: Niedrigverbrauchssensoren mit Wi-Fi HaLow, die in einer Reichweite von 3 km mit der Newracom NRC7394-Telekommunikationsplattform arbeiten. Die Sensoren überwachen zudem Temperatur, Sicherheit und Energieverbrauch. 

Hauptmerkmale:

• Übergang zu einem Hotel ohne Personal und Kostensenkung; 
• Echtzeit-Überwachung der Belegung; 
• Wartungsvorhersagen; 
• Sprachdienste; 
• Optimierung der Energieeffizienz. 

7. Sigfox

Sigfox ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie mit niedriger Geschwindigkeit zur Übertragung von Daten über große Entfernungen bei geringem Energieverbrauch. Sie funktioniert über Entfernungen von bis zu 30–50 km im offenen Gelände und bis zu 10 km in dicht bebauten Gebieten.

Dieses Netzwerk arbeitet auf 868 MHz (Europa) und 902 MHz (USA). Die erste Spezifikation wurde 2009 entwickelt

Eine Besonderheit von Sigfox ist die Begrenzung auf 140 Nachrichten pro Tag von einer Station zu einem Endgerät, wobei die Größe der übertragenen Informationen 12 Bytes nicht überschreiten darf. Daher ist dieser Kommunikationsstandard für die Übertragung kleiner Datenmengen mit geringer Regelmäßigkeit geeignet. 

Diese Technologie wird zum Beispiel für Beleuchtungssysteme, Alarmsysteme und zur Datenerfassung von Zählern eingesetzt.

8. LTE-M = Long Term Evolution Machine Type Communication

Dieses Protokoll eignet sich für die Steuerung von intelligenten Zählern, Sicherheitssystemen, medizinischen Sensoren sowie in der Logistik und bei tragbaren Geräten.

Die oben genannten Standards sind nicht die vollständige Liste aller verfügbaren Technologien. Es gibt auch ANT, RF4CE, NFC, Nike+, iIr (IrDA) und andere. Beispielsweise arbeiten wir derzeit mit dem OpenThread-Protokoll von Google, einer offenen Implementierung des kommerziellen Thread-Protokolls für energieeffiziente, IPv6-basierte drahtlose Kommunikation. Wir haben diese Technologie in das intelligente Thermostat-System integriert, das in neuen Gebäuden eingesetzt wird. Die physische Schicht der Datenübertragung wird gemäß IEEE 802.15.4 implementiert.

Fazit + Vergleichstabelle

In diesem Artikel haben wir die beliebtesten Niedrigenergie-Wireless-Technologien für die Entwicklung von Verbraucher- und Industrieelektronik beschrieben. Um Ihnen die Auswahl zu erleichtern, haben wir die wichtigsten Parameter jeder Technologie in einer Vergleichstabelle zusammengestellt:
 

Während der Entwicklung von Niedrigenergielösungen für unsere Kunden haben wir die Besonderheiten der in diesem Artikel aufgeführten Technologien genau untersucht. Es ist nicht möglich, definitiv zu sagen, dass eine Art der Kommunikation besser ist als die andere: Jede hat ihre eigenen Einschränkungen und Vorteile und ist für bestimmte Aufgaben geeignet.

Zusätzlich zu den in diesem Artikel beschriebenen Technologien gibt es weitere energieeffiziente Lösungen. Hier sind einige Beispiele: 

1. Wake-On-LAN implementiert die Komponente Energy Efficient Ethernet (EEE), wie in IEEE 802.3az2 beschrieben – das Gerät schläft, bis ein Paket aus dem Netzwerk eintrifft.
2. Softwareoptimierung, maximale Nutzung von Schlupfmodi und Niedrigenergiemodi der Geräte. Wir haben einen solchen Ansatz erfolgreich in TAO WellShell, einem tragbaren Fitnessgerät für unseren amerikanischen Kunden, umgesetzt und die Batterielebensdauer um das Dreifache erhöht. 
3. Verwendung von Schlafzeitplänen für Wi-Fi-Module und andere Innovationen. Aber das wird ein Thema für einen anderen Artikel.

Wenn Sie technische Unterstützung bei der Entwicklung von Massenprodukten, Hardware oder Software mit Niedrigenergie-Wireless-Kommunikation benötigen, kontaktieren Sie uns bitte. Wir wählen die beste Technologie aus und entwerfen Ihr neues Produkt!