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Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) für vernetzte Anwendungen reicht von Consumer-Gadgets bis hin zu Industriegeräten und ist in den letzten Jahren immer anspruchsvoller geworden. Neben der Komplexität stehen Entwickler vor der Herausforderung, Produkte für die Integration zukünftiger Technologien zu entwerfen und gleichzeitig bereits vorhandene Anwendungen mit IoT-Funktionen nachzurüsten.

Ursprünglich begann das IoT mit der Integration von intelligenten Prozessoren in Geräten wie Türklingeln oder Sicherheitssystemen. Doch inzwischen hat sich die Technologie weiterentwickelt und umfasst immer komplexere Netzwerk- und Erfassungssysteme, die zusätzliche Daten sammeln und drahtlos über Funksysteme (HF) übertragen. Aus einem intelligenten Kühlschrank, bei dem der Benutzer die Temperatur per Spracheingabe einstellen konnte, sind inzwischen individuell konfigurierbare Warnmeldungen auf dem Handy geworden, die auf eine offene Tür oder einen abgelaufenen Wasserfilter hinweisen.

Neben den erweiterten Prozessorfunktionen, die den Ausbau softwaredefinierter Funktionen vorangetrieben haben, eröffnet eine hochentwickelte HF-Hardware neue Möglichkeiten für Netzwerkanwendungen und -dienste, insbesondere in nicht traditionellen Märkten wie Haushaltsgeräten und der Industrie. Durch die Weiterentwicklung und den höheren Stellenwert der Software steigt die Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und hohen Leistungsfähigkeit der drahtlosen Netzwerke von Jahr zu Jahr. Die Benutzer erwarten eine ausgezeichnete HF-Leistung und verlangen, dass die Geräte jederzeit optimal funktionieren. Auch wenn sich die Anforderungen ständig weiterentwickeln, können Entwickler 3 bewährte Verfahren anwenden, um sicherzustellen, dass IoT-Geräte mit den Komponenten ausgestattet werden, die sie benötigen, um sowohl jetzt als auch in Zukunft eine optimale Leistung zu liefern.

1. Mit der Planung beginnen und dabei Fachkompetenz hinzuziehen

Der erste Schritt, um sicherzustellen, dass HF-Komponenten als wesentliche Bestandteile der Anwendung behandelt werden und nicht als Nebensache, besteht darin, im Designprozess ein Bewusstsein für die steigenden Konnektivitätsanforderungen zu schaffen. Ohne sorgfältige Planung könnten Entwickler zwar ein elegantes Gehäuse oder Display bauen. Doch es fehlt dann möglicherweise der optimale Platz für die Integration von HF-Elektronik und Antennentechnik.

Bei vielen IoT-Projekten wird derzeit ein bereits vorhandenes Gerät um drahtlose Funktionen erweitert. Mit anderen Worten: Diese Projekte sind transformativ und erfordern Fachwissen in diesem Bereich. Ein Produktteam mag zwar Erfahrung mit dem Design und der Produktion des jeweiligen Geräts haben, doch es fehlt ihm möglicherweise das Fachwissen, um HF-Elemente effektiv in das Design zu integrieren.

Ein HF-Experte, der von Anfang an in das Entwicklerteam eingebunden ist, kann solche Probleme entschärfen, indem er die erforderlichen Komponenten von vornherein berücksichtigt und um sie herum entwickelt. Durchdachte Designentscheidungen, wie beispielsweise die Wahl eines Metall- oder Kunststoffgehäuses, die Platzierung der Antenne innerhalb oder außerhalb des Gehäuses und die optimale Größe der Leiterplatte, können den Unterschied zwischen einem durchschnittlichen und einem hochleistungsfähigen IoT-Gerät ausmachen.

2. Anwendungsanforderungen identifizieren

Das Einbeziehen von HF-Fachwissen in den IoT-Entwicklungsprozess ist wichtig, aber Entwickler und Ingenieure müssen sich auch über die Anforderungen des Smart Devices und seine voraussichtlichen Nutzungsziele im Klaren sein, bevor sie entscheiden, welche drahtlosen Komponenten integriert werden sollen. Der bereits erwähnte intelligente Kühlschrank benötigte anfangs nur einfache Komponenten, doch mit zunehmender Abhängigkeit von den Netzwerkfunktionen wurde eine zuverlässige Konnektivität immer wichtiger. Wenn man den Lebenszyklus eines Geräts und die sich entwickelnden Verwendungsmöglichkeiten nach dem Einbau der drahtlosen Funktionen berücksichtigt, erhalten die Entwickler eine bessere Vorstellung davon, welche Komponenten am besten geeignet sind.

HF- und Antennenkomponenten in IoT-Geräten sind sehr individuell gestaltet. Und daher ist auch die ideale Performance von Smart Devices sehr unterschiedlich und hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Für ein medizinisches Gerät kann eine gute Leistung bedeuten, dass es in der Lage ist, Informationen innerhalb eines Umkreises von 2 Metern zuverlässig zu übertragen. Wenn die Informationen jedoch in einem Umkreis von 100 Metern übertragen werden, kann der Datenschutz ein großes Problem darstellen. Bei Audio-Kopfhörern ist das Gegenteil der Fall, denn die Übertragung über große Entfernungen ist für ihre Leistung entscheidend. Bei einigen Anwendungen ist die Übertragungsreichweite wichtig, bei anderen wiederum ist eine optimale Netzabdeckung erforderlich. Aus diesem Grund sollten die Entwickler vor der Entscheidung für eine HF-Lösung zunächst den Anwendungsbereich des Geräts in den Blick nehmen.

3. Robuste und redundante HF-Systeme anstreben

Die Forderung nach robuster und responsiver HF-Leistung hat zu Technologien wie den so genannten Massive-Input-Massive-Output-Antennen (MIMO) geführt. Vereinfacht ausgedrückt, handelt es sich bei MIMO-Antennen um redundante Antennen, die sich räumlich und in Bezug auf den Winkel unterscheiden. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass eine oder mehrere dieser redundanten Antennen ein Signal besser empfangen oder abstrahlen kann als die Nachbarantenne. Diese Antennen können auch besser Signale empfangen, die durch Mikroreflexionen der HF-Welle vorhanden sein könnten.

Die HF-Elektronik für die Antennen muss MIMO unterstützen, wenn es verwendet wird. Auch bei Mobilfunkanwendungen, insbesondere bei 5G, ist es nicht ungewöhnlich, dass leistungsstärkere Geräte, die eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit und hervorragende HF-Eigenschaften benötigen, MIMO-Antennen verwenden.

Daneben werden für Geräte, die eine möglichst zuverlässige Funkverbindung benötigen, immer häufiger redundante Protokolle und Frequenzen wie WLAN + LTE verwendet. Das LTE (4G oder 5G) ist beispielsweise ein Backup-System für das WLAN, damit das Gerät auch dann funktioniert, wenn das WLAN ausgefallen ist.

Bei der Planung der HF-Integration in das IoT müssen die Entwickler unbedingt Fachwissen aus dem Bereich HF einbeziehen, die Anforderungen der Anwendung berücksichtigen und die Komplexität des Designs in Bezug auf zukünftige Trends verstehen. Wenn es sich bei dem Projekt um ein Produkt der nächsten Generation oder ein neues Produkt handelt, das eine große Bandbreite nutzt, sollte der Schwerpunkt auf 5G-Funktionen und Redundanz liegen. Für die meisten IoT-Geräte im Haushalt sollten die aktuellen HF-Lösungen jedoch ausreichen, wenngleich die Entwickler in Bezug auf die wachsenden Einsatzmöglichkeiten der Geräte auf dem neuesten Stand bleiben sollten.

Der Molex-Experte Matthew McWhinney hat sein Fachwissen in einem kürzlich erschienenen Mouser Industry Tech Days Podcast geteilt. Hören Sie sich das Interview mit Matthew McWhinney an und erfahren Sie mehr darüber, wie Entwickler sich auf Veränderungen und Herausforderungen in der IoT-Welt einstellen können.