Funklösungen für energieautarke Systeme oder für Versorgung mit Knopfzellen

Diese Webseite soll einen Überblick der aktuellen Technologien bereitstellen, mit denen heute stromsparende Funksysteme mit Energy Harvesting oder mit Batterien realisiert werden können. Besonders interessant erscheinen in alphabetischer Reihenfolge:

– ANT und ANT+ von Dynastream
– Bluetooth Low Energy (BLE)
– Dolphin von EnOcean
– Gazell auf Basis des Chips nRF51822 von Nordic Semiconductor
– 6LoWPAN der IETF (Internet Engineering Task Force)

Auf dieser Seite sollen Leistungsparameter von verschiedenen Low-Power-Funktechnologien zusammengestellt werden. Hier eine erste Tabelle:

Tabelle low power wireless

Links zu interessanten Fachaufsätzen mit derartigen Leistungsvergleichen:

/A1/ Phil Smith (CSR PLC): Comparing Low-Power Wireless Technologies
“This article compares Bluetooth low-energy, ANT, ANT+, ZigBee, ZigBee RF4CE, Wi-Fi, Nike+, IrDA, and the near-field communications (NFC) standard, detailing the features, benefits, and shortcomings of each protocol in various applications.”

/A2/ Reghu Rajan (Microsemi CMPG): Ultra-Low Power Short Range Radio Transceivers, May 2012.
Der Autor vergleicht den Ultra Low Power Transceiver ZL70250 der Firma Microsemi (der für sehr kurze Entfernungen in der Medizintechnik konzipiert wurde) mit konkurrierenden Produkten.

/A3/ Harald Neumann (Rutronik): Comparison of radio links inside an Androiddevice and examples for applications .Vergleich von Bluetooth Low Energy, Bluetooth, ANT+, NFC, WIFI. Foliensatz auf Slideshare.

/A4/ Artem Dementyev et al. (Vier Wissenschaftler aus USA und UK):
Power Consumption Analysis of Bluetooth Low Energy, ZigBee and ANT Sensor Nodes in a Cyclic Sleep Scenario.
Der Beitrag vergleicht den Energieverbrauch der drei genannten Technologien für verschiedene Zykluszeiten und definiert eine „optimale“ Zykluszeit, die bei BLE bei 10 Sekunden liegt.

 

Aktuelle Meldungen

September 2017   Die Firma Texas Instruments beschreibt in einem Fachaufsatz, wie die das neue Feature „höhere Reichweite“ bei Bluetooth 5.0 funktioniert. Der Beitrag enthält auch einen Link zu einem gut gemachten Video, das sowohl Messungen im Bereich von einem Kilometer als auch die theoretischen Grundlagen des Features beschreibt.

September 2017   Der norwegische Halbleiterhersteller Nordic Semiconductor beschreibt in dem Beitrag Taking a deeper dive into Bluetooth 5 sämtliche neuen Features von Bluetooth 5.0  im Detail.

Meldungsarchiv von 2014 und 2015

7. Oktober 2015   Die US-amerikanische Firma ARGENOX bietet auf ihrer Homepage zwei interessante Menüpunkte zum Thema BLE: In der LIBRARY gibt es u.a. eine Vergleichstabelle von BLE-Chips, die auch Strommittelwerte bei zyklischer Datenübertragung auflistet. Im Menü BLOG wird u.a. über die Verbesserungen von Android 5.0 (Lollipop) hinsichtlich BLE berichtet.

23. Juli 2015  Renesas hat mit dem RL78/G1D einen Mikrocontroller mit BLE-Transceiver entwickelt, dessen Stromverbrauchswerte beachtlich klein sind: Sendestrom (Itx) 4,3 mA, Empfangsstrom (Irx) 3,5 mA. Als mittleren Stromverbrauch bei einem Sendeintervall von einer Sekunde gibt Renesas einen Wert von nur 10 uA an. Link

15. Mai 2015 Die neue Zeitschrift MAKE des Heise-Verlags berichtet unter dem Titel „NXP verspricht das bessere Mesh-Netzwerk für Bluetooth Smart“ über eine weitere Lösung für ein Mesh-Netzwerk mit BLE. Link

25. April 2015  Unter dem Titel „IPv6-Brewed Coffee Over Bluetooth Smart“ beschreibt Glenn Ruben Bakke, wie man mit dem Entwicklungskit nRF51 von Nordic Semiconductor und einem Raspberry PI eine Verbindung auf IPv6-Basis zwischen einer Kaffeemaschine und dem Internet herstellen kann. Der Artikel steht auf der Internetseite TeamARIN.net, die von ARIN, d.h. der „American Registry for Internet Numbers“ betrieben wird. Das ist die Organisation, die die IP-Adressen verwaltet.

2. April 2015  Das Softwareunternehmen Evothings in Stockholm stellt eine „open-source development suite“ für das Internet of Things bereit. Für RFduino-Anwender gibt es ein ausführliches Tutorial zur Erstellung von Apps für Smartphones/Tablets mit iOS und Android: 4 easy steps to create a mobile app for controlling the RFduino“

2. April 2015  Der Heise-Verlag beschreibt zwei weitere Mesh-Lösungen für Bluetooth Smart. Hersteller sind die Firmen Seed-Labs und CSR. Link

2. April 2015  Die 6Lo Working Group der IETF hat am 23. Februar 2015 das Dokument „Transmission of IPv6 Packets over BLUETOOTH(R) Low Energy (draft-ietf-6lo-btle-10)“ veröffentlicht. Link

2. April 2015  NXP kündigt Wireless-Mikrocontroller „JN5169“ an, der Zigbee 3.0 und Thread unterstützen soll. Bisher kein Datenblatt verfügbar. Bericht bei Heise, Press Release NXP

12. Feb. 2015  IPv6 over Bluetooth Smart! Der Hersteller Nordic Semiconductor stellt nach Aussagen in einem Video als erster BLE-Hersteller eine IPv6-Software vor, die auf einem Bluetooth-Smart-Chip läuft, nämlich auf dem SoC nRF51822. Ein Developer-Kit ist verfügbar. Link zu Videos und weiteren Infos.

7. Dez. 2014  Der finnische Hersteller Bluegiga hat ein Long-Range-Modul für Bluetooth Low Energy entwickelt. Mit einer Sendeleistung von 8 dBm und einer Empfangsempfindlichkeit von -98 dBm ist es möglich, zwischen den Modulen untereinander sowie zu einem Nexus7-Tablet eine Reichweite von 450 Metern zu erzielen. Link zu Hy-Line

3. Dez. 2014 Die Bluetooth SIG hat heute die Verabschiedung der Version 4.2 mitgeteilt. Sie soll das Internetprotokoll IPv6 verarbeiten können. Allerdings muss ein 4.2-Gerät nicht unbedingt mit „Low Energy“ arbeiten. Link zu C’t , Link zu Golem

29. Nov. 2014  Auch einer der größten Halbleiterhersteller der Welt, das Unternehmen Qualcomm, beschreibt auf seiner Homepage unter der Überschrift „Low-power Wi-Fi“ die Notwendigkeit stromsparender WLAN-ICs: „Some are even expected to operate for multiple years on a small battery.” Link

28. Nov. 2014: Wer gewinnt den Low-Power-Wettkampf? BLE oder WLAN?    Aufgrund der hohen Sendeströme gelten WLAN-ICs als nicht sonderlich stromsparend. Man muss allerdings bedenken, dass die Bitdauern bei WLAN aufgrund der hohen DÜ-Rate ca. um den Faktor 50 (!) kleiner sind als bei BLE. Hier eine Vergleichsrechnung der benötigten Energie zur Übertragung eines Bits:
BLE mit 1 Mbit/s, Itx = 15 mA, U = 3 V  ==> 45 nWs pro Bit
WLAN mit 54 Mbit/s, Itx = 145 mA, U = 3,3 V (Werte von ESP8266) ==> 9 nWs pro Bit. Entscheidend sind natürlich die Werte für komplette Telegramme. Aber die Rechnung zeigt, dass sich eine genaue Betrachtung lohnt, wenn man nicht unbedingt eine Knopfzelle zur Stromversorgung verwenden muss.

27. Nov. 2014  Eine kleine kostengünstige WLAN-Controller-Platine mit einem geringen Stromverbrauch kann man in China kaufen. Das darauf befindliche SoC ESP8266 hat der fabless Hersteller Espressif in Shanghai in einer 40-nm-Technologie entwickelt. Es enthält eine 32-bit-CPU und kann auch über eine serielle Leitung mit Daten versorgt werden. Datenblatt. Viele Links zu weiteren Informationen findet man hier.

21. Nov. 2014  Wer am Tag der offenen Tür die studentischen Arbeiten von Mechatronik-Studenten in meinem Labor der Hochschule Reutlingen anschauen möchte, ist am Samstag, den 22. Nov. 2014 von 11.00 – 17.00 Uhr herzlich in den Raum 4-308 eingeladen. Für einen virtuellen Besuch sind hier die Plakate zu den Exponaten, die alle mit Bluetooth Low Energy arbeiten: Übersichtsposter, Thesen

23. Okt. 2014  Die Zeitschrift Elektronik-Praxis berichtet am 14.10.2014 über zahlreiche Konkurrenten für die von Google initiierte Thread-Technologie:
– Weiterentwicklung von Zigbee mit IPv6
– Integration von Teilen von 6LoWPAN in Bluetooth Smart
– Energiesparende WLAN-Variante 802.11ah in einem Sub-Gigahertz-Band um 900 MHz (!)
– Das Open Interconnect Consortium (OIC) mit den “Diamond”-Mitgliedern CISCO, Intel, Samsung u.a.

16. Okt. 2014  Wer Informationen über 6LoWPAN sucht, wird auf der Homepage http://6lowpan.net fündig, die Prof. Carsten Bormann von der Universität Bremen betreibt.

15.Okt. 2014  Für Anwender der RFduino-Module, die einen direkten Datenaustausch zwischen zwei Modulen aufbauen wollen, hat der Hersteller ein informatives Video über das Protokoll Gazell Link Layer erstellt.  (Here you find a good video about RFduino to RFduino communication with Gazell).

16. Juli 2014  Google, Samsung und andere bedeutende Unternehmen haben gestern ein Konsortium für eine neue low-power-Funktechnik namens THREAD gegründet, die auf den Layern 1 und 2 von Zigbee und dem IPv6-Routing des 2007 vorgestellten 6LoWPAN basiert.  Bericht in Golem, Link zu Foliensatz des Konsortiums.

24. Juni 2014   Das 2012 gegründete Konsortium A4WP (alliance for wireless power) für kabelloses Laden von Elektronikgeräten hat Bluetooth Low Energy als Funksystem zwischen Energiesender und Energieempfänger spezifiziert. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger soll bis zu 50 mm betragen können. Der Name des Ladestandards lautet Rezence. Link

26. Mai 2014  Das kickstarter-Unternehmen WeTag (www.wetaginc.com) in den USA hat einen BLE-basierten „Sachensuchclip“ (Item Locating Tag) mit dem Namen iFind entwickelt, der batterielos arbeitet. Die Energie wird über RF Harvesting aus nicht näher spezifizierten Funksendern der Umgebung bezogen. Der Sachensuchclip hat ungefähr die Größe einer SD-Karte. Befestigt man den Clip z.B. am Schlüsselbund, kann man diesen über ein BLE-fähiges Mobiltelefon aus max. 60 m Entfernung suchen. Hat man zwar den Schlüsselbund aber sucht das Telefon, so ist auch die umgekehrte Suchrichtung möglich. Erste Produkte sollen im Herbst 2014 verfügbar sein.

 

10. April 2014: Hier eine Zusammenstellung von sechs konkurrierenden Lösungen für die BLE-Kommunikation von Arduino-Platinen:

1. BLE Shield von RedBearLab,  BLE-Chip: Nordic Semi nRF8001,   Role: only Peripheral Device,
2. BLE Mini von RedBearLab,  BLE-Chip: Texas Instr. CC2540,  Role: Peripheral and Central Device,
3. Bluno von DFRobot,  BLE-Chip: TI CC2540,  Role: only Peripheral Device,
4. BLEduino von Kytelabs, BLE-Chip: Nordic nRF8001, μC: ATmega32u4.  Wann kann das Start-up-Unternehmen liefern?
5. RFduino von RF Digital, BLE-Chip: Nordic nRF51822, Role: only Peripheral Device.
6. Microduino BT von Microduino Studio, BLE-Chip: TI CC2540, Role: Peripheral and Central Device.

Möchte man nicht nur mit einem Smartphone kommunizieren, sondern einen Datenaustausch zwischen zwei BLE-Modulen untereinander realisieren, ist erforderlich, dass die bereitgestellte Protokollsoftware auch die Rolle des „Central Device“ übernehmen kann. Das „Central Device“, auch Master genannt, scannt zum Verbindungsaufbau nach „Peripheral Devices“, auch Slaves genannt. Diese bieten ihre Verbindungsbereitschaft über Aussendung sogenannter Advertising-Telegramme an, sie „werben“ sozusagen um Kommunikationspartner. In Sensornetzen sind Sensoren in der Regel Slaves. Eine übersichtliche Begriffserklärung findet man hier.

 

14. März 2014: Auch für Freunde des klassischen Arduino-Platinenformats bietet Nordic Semiconductor ein Software Development Kit an. Es ist für Entwicklungen mit dem Arduino-Shield des Herstellers Red Bear Lab konzipiert, das mit dem BLE-Baustein nRF8001 von Nordic Semiconductor arbeitet.

27. Februar 2014: Neues von der „Embedded World“ in Nürnberg: Der englische Halbleiterhersteller DIALOG Semiconductor hat nach seinen Angaben einen BLE-Chip mit der „World leading low power consumption“ im Programm: Der DA14580 verbraucht bei 0 dBm Sendeleistung nur 3,8 mA Sendestrom bei 3 V. Auch die Abmessungen von 2,5 x 2,5 x 0,5 mm erscheinen rekordverdächtig.

Die Fachzeitschrift EDN hat berechnet, dass sich mit Verwendung des obengenannten ICs die Lebensdauer der Knopfzelle eines Funksensors, der jede Sekunde damit einen Meßwert sendet, auf mehr als vier Jahre gegenüber üblichen BLE-Chips verdoppelt.

Februar 2014: Mit Smarty Ring am Finger kann man sein Smartphone fernbedienen und erhält ein Signal, wenn man sich von ihm entfernt. Kommunikation über Bluetooth 4.0 mit dem SoC nRF51822 des Herstellers Nordic Semiconductor.

Februar 2014: In Anlehnung an das open-source Arduino-Konzept gibt es ein RFduino genanntes (kleineres) Platinensystem, dessen Hauptplatine mit einem Transceiver für Bluetooth Low Energy ausgestattet ist. Es arbeitet ebenfalls mit dem SoC nRF51822 des Herstellers Nordic Semiconductor. Video.

Januar 2014: Im Dezember 2013 hat die Bluetooth-SIG die Weiterentwicklung der Spezifikation von Bluetooth 4.0 zu Bluetooth 4.1 veröffentlicht. Kurzübersicht der neuen Merkmale. Technische Details.

Januar 2014: BLE-„Beacons“ (iBeacons) bringen beim Einkaufen Werbeinformationen auf die iPhones von Kunden in Deutschland und in den USA.

 

 


Einige Fachaufsätze zu Bluetooth Low Energy:

5BLE-Tabelle+Tabelle 2: Vergleich von Bluetooth Low Energy ICs: CC2541, CSR1011, DA14580, EM9301 und nRF51822.

/B1/ Brian Blum (Mitarbeiter von Texas Instruments)
Bluetooth Low Energy – A Very Low Power Solution
Der Beitrag beschreibt detailliert den Energieverbrauch der verschiedenen Betriebszustände des Controllers CC2540/41 von Texas Instruments.

/B2 /Joe Decuir (Standards Architect bei Firma CSR plc, USA):
Bluetooth 4.0: Low Energy – Changing the way the world connects.
Der ausführliche Beitrag umfasst 62 Folien.
Quelle: IEEE Communications Society

/B3/ ohne Verfasser: Bluetooth Low Energy Technology Training
April 2010, Bluetooth SIG
Dieser Beitrag enthält 420 Folien (!). Der Foliensatz ist aktuell (Jan. 2015) nicht mehr erreichbar.

/B4/ Carles Gomez, Joaquim Oller, Josep Paradells (Autoren von verschiedenen Unis in Spanien):
Overview and Evaluation of Bluetooth Low Energy: An Emerging Low-Power Wireless Technology.
Sensors 2012, 12, Seite 11734-11753.

/B5/ Julio Villegas (Verfasser ist vermutlich eine Studentengruppe):
Bluetooth Low Energy Version 4.0 – Helping create the “internet of things”.
Quelle: Iowa State University, Stud. Projekt CprE 537 “Wireless Network Security” im SS 2013.

/B6/ Jachen Bernegger (Institute of Embedded Systems der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften): Energieverbrauch von verschiedenen Bluetooth Smart Varianten.
Es werden auf 49 Folien detaillierte Strommessungen an den BLE-Controllern Nordic nRF51822 und TI CC2540 vorgestellt. Auch das (in den Datenblättern nicht dokumentierte) Problem des hohen Spitzenstroms beim Initialisieren wird beschrieben.

/B7/ Rudi Latuske (Geschäftsführer der ARS Software GmbH in Gauting):
Bluetooth Low Energy in Smartphones – Wie funktioniert das? Elektroniknet, 14. Nov. 2013.
Detaillierter Artikel über die Funktionsweise von BLE und die Sicht des Software-Entwicklers für Smartphones.

Arbeiten im Labor für Prozeßdatenverarbeitung der Hochschule Reutlingen:

In studentischen Projekten (Laborpraktika und Abschlußarbeiten) wurden im Labor des Autors in den Jahren 2010…2013 die Leistungsmerkmale folgender Systeme untersucht:

– BLE mit Energy Harvesting (Indoor-Solar)
– BLE mit Knopfzelle
– SimpliciTI mit Energy Harvesting (Indoor-Solar)
– Dolphin mit Energy Harvesting (Indoor-Solar)
– Dolphin mit Energy Harvesting (Thermogenerator)
– Dolphin mit Energy Harvesting (Piezo-Element)
– Dolphin mit Energy Harvesting (Radio Frequency Harvester)
Meßergebnisse sind kurz zusammengefasst hier und detaillierter hier (ab Folie 11) zu finden.

Im Jahr 2014 wurden überwiegend BLE-Projekte mit dem Mini-Steckkartenssystem RFduino durchgeführt, das den Chip nRF51822 des Herstellers Nordic Semiconductor enthält. Studenten haben mit großer Freude diesen Chip auf fünf (!) verschiedene Arten von Energy Harvesting mit Strom versorgt. Hier sind die Versuchsaufbauten kurz dargestellt.

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Hier noch ein Hinweis auf ein Bluetooth-basiertes Schülerprojekt: Der Studienbereich Mechatronik der Hochschule Reutlingen führte ein Projekt mit zwei Gymnasien durch, bei dem ein Segelflugzeug zu einem Motorflugzeug umgebaut und über Bluetooth von einem Smartphone ferngesteuert wurde: ArduSmartPilot Videos und Fotos über dieses Projekt finden Sie hier und in Heft 3/2015 der Zeitschrift MAKE.

 

Haben Sie Fragen, die auf dieser Homepage behandelt werden sollten?
Der Verfasser freut sich über Ihre Nachricht:                                        juergen.schwager(at)reutlingen-university.de

Start der Homepage: 7. August 2012
Erste Blog-Version 1.3 am 11. Januar 2014
Hier: Version 2.0 vom 20. September 2017 (neu: Zwei Links zu Beiträgen über Bluetooth 5.0 bei Aktuelles).

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schwager,  Hochschule Reutlingen, emeritiert seit März 2015

 

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