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Embedded Technologies Wireless
Die Qual der Wahl
Hält Wireless-Technologie was sie versprochen hat?
Wireless-Embedded-Control-Techniken
ermöglichen einfache Punktzu-Punkt-Topologien und lassen sich
sternförmig organisieren.
Seit nunmehr dreieinhalb Jahren gibt es die ZigBee-Spezifikation – Anlass genug,
nicht nur den Status von ZigBee, sondern den aller Wireless-Embedded-ControlTechniken im allgemeinen zu analysieren. Interessant für Designingenieure und
Technologiemanager ist insbesondere, inwieweit sich die vielen Versprechen im
Zusammenhang mit der drahtlosen Übertragung bewahrheitet haben.
Was macht eigentlich eine Wireless-Embedded-Technologie
aus? Senderseitig sind eine geringe Funkleistung mit Übertragungsdistanzen zwischen zehn und 50 Metern, Datenraten unter
vier Megabit pro Sekunde und die Eignung für verschiedene industrielle, wissenschaftliche und medizinische Frequenzbänder
anzuführen. Die Protokollpalette reicht von einfachen Punkt-zuPunkt-Topologien für die Machine-to-Machine-Kommunikation
(M2M) über Stern-Topologien für einfache drahtlose Sensornetzwerke bis hin zu selbstheilenden Maschennetzwerken, in denen
jeder Knoten mit jedem anderen kommunizieren kann.
Wer hinreichend lange im Embedded-Geschäft tätig war, dürfte
die Versprechungen der Befürworter von Wireless EmbeddedControl-Techniken zur Genüge kennen: Geringer Stromverbrauch,
niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit, einfaches
Design-in und unkomplizierte Anwendung. Der Beitrag nimmt
die einzelnen Ansätze genauer unter die Lupe.
Nicht nur den Technikern wurde die drahtlose Übertragung
schmackhaft gemacht, auch Kaufleuten wurde hohe Rentabilität
versprochen. „In wenigen Jahren sollten einige Hundertmillionen
Bauelemente verkauft werden können, Kunden würden von mehr
Effizienz und niedrigeren Kosten profitieren und die ganze Welt
wäre schließlich voller kleiner Transceiver niedriger Leistung, die
alles mit allem verbinden“, erinnert sich Sherif Hanna, Strategic
Marketing Manager for Wireless Solutions bei Cypress Semiconductor in San Jose, Kalifornien.
ungeregelte Modulation anstelle einer geregelten verwendet wird,
die zwar höhere Zuverlässigkeit bietet, aber auch mehr Chipfläche
erfordert. Als nächstes gilt es den Netzwerk-Stack abzuspecken,
um den Umfang des Prozessorcodes zu verringern. Unter Umständen müssen dafür intelligente Funktionen wie das komplette
Node-to-Node-Routing und die Selbstheilungsfähigkeit des Netzwerks dran glauben.
„All diese Kompromisse sind nicht grundsätzlich falsch, denn
schließlich sind die Begriffe kostengünstig und zuverlässig relativ
Klassenziel nicht erreicht
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Bild: Fotolia, Lotfi M.
Ein paar Jahre später folgte die Ernüchterung, denn keine
Funktechnologie kann alle Versprechen gleichzeitig erfüllen; stattdessen sind Kompromisse notwendig. Hat
man wirklich geglaubt, eine einzige Technologie könne
sowohl für die Beleuchtungssteuerung im Haus als auch
für die Steuerung eines Sicherheitsventils in einer Fabrik
geeignet sein? Denn genau das war dem höchst optimistischen Markt von einigen Seiten versprochen worden inzwischen überwiegt jedoch die Skepsis.
Dass nur einige, aber eben keineswegs alle Prognosen
erfüllt wurden, hat mehrere Gründe. Als erstes ist anzuführen, dass einige Leistungsvorgaben konträr sind und erhebliche technische Herausforderungen bergen. Wie etwa sollen
niedriger Preis und hohe Zuverlässigkeit miteinander vereinbar sein? Voraussetzung für das Design einer günstigen Lösung
ist, dass auf ganzer Linie Kostensenkungsmöglichkeiten gesucht
und ausgeschöpft werden. Das Streben nach kleinerer Chipfläche
erfordert Abstriche an der Transceiver-Architektur, indem eine
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Embedded Technologies Wireless
- was kostengünstig ist, hängt letztendlich vom Kunden ab“, meint
Hanna. Hundert Dollar pro Knoten sind zuviel für eine Lichtschalter-Einheit in einer Konsumeranwendung, während dieser Preis
für einen Kunden, der eine industrielle Prozesssteuerung entwickeln will, akzeptabel oder sogar attraktiv sein kann.
Das Abwägen zwischen niedrigen Kosten und hoher Zuverlässigkeit ist nur eine der zahlreichen Konzessionen, die beim Design
eines drahtlosen Systems zu machen sind. Eine bedauerliche Konsequenz dieser Situation war, dass viele unterschiedliche Technologien für Wireless Embedded Control (WiEC) entstanden, denen
jeweils bestimmte Vorzüge gegenüber den anderen angedichtet
wurden. ZigBee, ANT, Z-Wave, Insteon, Wavenis, ISA SP-100,
WirelessHart und eine Unmenge weiterer proprietärer Hochfrequenztechnologien von Firmen wie Cypress, Nordic, Texas Instruments und Freescale könnte man hier aufzählen. Obwohl alle diese
Technologien durchaus nicht auf die gleichen Märkte zielen, gibt es
gewisse Überschneidungen.
Die Schlechten ins Kröpfchen
Die Folge ist ein sehr zersplitterter Markt. Zwar können die Kunden unter zahlreichen WiEC-Technologien wählen, aber ein klarer
Sieger ist nicht auszumachen. Dies veranlasst viele Kunden zum
Abwarten, denn niemand möchte in eine Technologie investieren,
die wieder vom Markt verschwindet. „Die Folge ist eine geradezu
klassische Form der selbsterfüllenden Prophezeiung: mangelnde
Akzeptanz erzeugt Unsicherheit, die ihrerseits wiederum die Akzeptanz bremst“, erklärt Hanna, „Zahlreiche Anbieter konnten keine Gewinne mit dieser Technik erwirtschaften, denn zu viele Akteure müssen sich das wenige Geld teilen, das die Kunden für den
Wegfall der Kabelverbindungen auszugeben bereit sind.“ Allerdings hat genau dieser Druck auch Vorteile und bewirkt eine Art
natürlicher Auslese, die mittlerweile voll im Gange ist. Anstelle der
bisherigen Euphorie treten zunehmend rationale Überlegungen.
Die Situation um ZigBee ist symptomatisch: Anfangs noch als
Lösung für alle Probleme propagiert, empfiehlt die ZigBee Alliance diese Technik zunehmend für spezielle Anwendungen
wie Verbrauchsmesser und Gebäudeautomatisierung, in
denen sie ihre Stärken ausspielen kann. Für den Konsumereinsatz ist ZigBee zu teuer, und die Prozessautomatisierung fordert mehr Zuverlässigkeit und Sicherheit.
Die ZigBee-Spezifikation berücksichtigt zunehmend die Erkenntnisse von zwei Jahren Praxiseinsatz, unter anderem mit dem ZigBee PRO Feature
Set. „Die Herausforderung für Lieferanten und
Kunden ist dabei die Wahrung der Kompatibilität zwischen den Spezifikationsversionen“, weiß
Hanna.
Man erkannte, dass sich die als IEEE 802.15.4
definierte Funktechnologie von ZigBee auch
für die Prozessautomatisierung eignen kann,
wenn sie mit einem besser für diese Aufgabe ge-
Wartet ab, bis sich die
besten Wireless-Techniken
durchgesetzt haben und
sich das Preisniveau
akzeptabel einpendelt:
Sherif Hanna von Cypress
Semiconductor in San Jose,
Kalifornien.
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Zeit ist Geld: Drahtlos-Technik
soll alles mit allem im Nu
verbinden, aber der versprochene Profit lässt wegen der
Vielzahl unterschiedlicher
Ansätze und Vorgaben bislang
auf sich warten.
rüsteten Netzwerkprotokoll kombiniert ist. Diesen Weg hat beispielsweise die WirelessHart-Technik beschritten. Es bleibt abzuwarten, inwieweit sie vom großen installierten Bestand der
leitungsgebundenen Hart-Technologie profitieren kann.
Interessant ist die Koalition von Anbietern und Kunden auf Basis der IEEE 802.15.4-Spezifikation, die sich für die verschiedensten
Anwendungen eignet, sofern sie mit einem gezielt auf die jeweilige
Applikation abgestimmten Netzwerkprotokoll kombiniert ist.
Glücklicherweise haben viele Halbleiteranbieter IEEE 802.15.4-konforme Lösungen im Programm, was durch den wachsenden Wettbewerbsdruck zu sinkenden Preisen und mehr Leistung führen
wird. Für Halbleiterhersteller wiederum ist es von Vorteil, dass der
Transceiver unabhängig ist von dem auf ihm laufenden Protokoll.
„Die Chancen, die getätigten Investitionen wieder hereinzuholen,
wachsen deshalb - ein echter Lichtblick auf dem höchst fragmentierten Wireless-Markt“, meint Hanna.
Funkknoten sind zu teuer
Von Zensys stammt die Z-Wave-Technologie, die gestützt von der
Z-Wave Alliance speziell auf Home-Automation-Anwendungen
zielt und sich als kostengünstige Alternative zu ZigBee positioniert, ohne die Vorteile der Maschen-Topologie aufzugeben. Zensys konnte dank dieser Fokussierung den Forderungen nach günstigem Preis, einfacher Anwendung und Kompatibilität Rechnung
tragen. Es gibt jedoch anspruchsvollere Technologien, und durch
die äußerst einfache Architektur und die niedrigen Datenraten
wird Z-Wave vielleicht kaum für mehr genutzt werden als für das
simple Ein und Ausschalten von Beleuchtungen. Auf den gleichen
Markt zielt die Insteon-Technologie, die sich auf ein ähnlich großes
Anbieter-Ökosystem stützen kann. Auch WiEC-Technologien wie
Z-Wave oder Insteon sind nicht akzeptit. Für Hanna ist denn auch
klar: „Erst wenn der Konsument Funkknoten für weniger als fünf
Dollar bekommt und selbst einbauen kann, ist eine nennenswerte
Verbreitung zu erwarten. Bis dahin ist es noch weit, doch utopisch
ist dieses Ziel keineswegs.“ (mou)
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Link zur Homepage von Cypress Semiconductor
VORTEIL Vorausgesetzt die richtige Technik kommt zum Einsatz, sparen
Wireless-Anwendungen Strom und sind zudem günstig, zuverlässig und
sicher.
Auf einen Blick
Hinter den Kulissen
Wireless-Technik ist in aller Munde und verspricht hohe Rentabilität.
Der Beitrag diskutiert, inwieweit die unterschiedlichen Ansätze
dieses Versprechen halten beziehungsweise behindern und welche
Techniken die unterschiedlichen Applikationen am Besten bedienen.
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