Multi-IoT
Der Entwicklungsschwerpunkt des Förderprojektes für das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) lag auf multiprotokollfähigen Funkknoten für Low Power Wide Area Netzwerke (LPWAN) im Internet of Things. Drahtlose Netzwerktechnologien spielen eine zentrale Rolle für das Internet der Dinge und entwickeln sich rasant. Dabei bieten die Transceiver ICs der neuesten Generation die Möglichkeit, mit einer Hardware-Lösung verschiedene Modulations- und Codierverfahren, Protokolle und sogar einen recht großen Frequenzbereich zu realisieren. Die zu entwickelnden multiprotokollfähigen Funkknoten sollen gleichzeitig mehrere Protokolle unterstützen und können während der Laufzeit zwischen diesen wechseln. Zudem sollen die Funkknoten über einheitliche Hardware- und Software-Schnittstellen verfügen, um für Anwendungen bei kleineren und mittleren Stückzahlen Kostenvorteile bei Entwicklung und Produktion zu erreichen.
Die STACKFORCE GmbH konnte während der Umsetzungsphase vom 01.09.2018 bis 30.06.2020 einige Vorhaben und ein Produkt realisieren. Wir sind stolz darauf, dass wir unsere langjährige Expertise in mehreren Arbeitspaketen des Projekts einbringen konnten.
vorhaben
Aufgabe: Implementierung der generischen HAL
Für die Umsetzung einer Multi-IoT-Software ist es erforderlich, mehrere APIs (Application Programming Interfaces) zu definieren und zu implementieren. Um die notwendigen Schnittstellen (API1, API2, API3) komplett spezifizieren und anschließend implementieren zu können, wurden mehrere Anpassungen und architektonische Änderungen in den vorhandenen Protokollen vorgenommen. Hierfür wurden die LoRaWAN, wM-Bus sowie Sigfox Kommunikations-Stacks an die Erfordernisse angepasst oder es wurde entsprechend adaptierende Software implementiert.
Zur Abstraktion der vereinheitlichten API1 wurden die Treiber der Funkmodule der Firma Anylink Systems AG (Typ: DPM1276 DROPIN) sowie der Firma Murata (Typ: CMWX1ZZABZ) hinsichtlich der Ansteuerung der Transceiver vereint und komplett über eine HAL (API1) abgebildet. Ebenso konnten die Methoden zur Ansteuerung des jeweils eingesetzten Mikrocontrollers vereinheitlicht und gleichermaßen über eine HAL (API1) abstrahiert werden.
aufgabe: Implementierung der MIB (L1/L2)
Als Management Information Base (MIB) wird die im Förderprojekt ParsiFAl 4.0 entwickelte Management Entity als Grundlage eingesetzt und für das jetzige Projekt erweitert und modifiziert. STACKFORCE kümmerte sich ebenso um die Entwicklung eines generischen Management Moduls für die nicht-flüchtige Speicherung von Konfigurationsdaten in einem Festspeicher „Non-Volatile Memory“ (NVM). Mit diesem Modul können verschiedene Speicherbereiche eines NVM mehreren Anwendungen oder Protokollimplementierungen zugewiesen werden.
Zusätzlich wurde ein Modul entwickelt, das eine generische Lösung für ein Firmware-Update über die Luftschnittstelle realisiert. Das Modul besteht aus zwei Software-Komponenten:
- Teil 1 behandelt die Auswahl und die Überprüfung einer Firmware sowie die Organisation des Flash-Speichers.
- Teil 2 beinhaltet die Algorithmen der Fehlererkennung und Fehlerkorrektur einer über die Luftschnittstelle übertragenen Firmware.
Zur Unterstützung eines Firmware-Updates über die Luftschnittstelle ist eine variable Fragmentierung der Daten (Firmware) unvermeidlich, da die verschiedenen Protokolle unterschiedliche Größen der zu übertragenden maximalen Nutzdaten spezifizieren. Ebenso kann die maximale Nutzdatenlänge einer Übertragung bei dem LoRaWAN-Protokoll abhängig von der Datenrate automatisch adaptiert werden. Daher wurden eine generische und variable Fragmentierung sowie Defragmentierung spezifiziert und implementiert.
aufgabe: Integration der bestehenden L1/L2-Protokolle
Bei Integration der bestehenden Protokolle auf L1 und L2 konnten bisher die Protokolle LoRaWAN in Version 1.2, Sigfox in Version 1 sowie wM-Bus nach EN13757-4 integriert werden. Diese drei Protokolle können momentan einzeln oder auch in Kombination verwendet werden (wM-Bus-Protokoll mit einem der LWPAN Protokolle LoRaWAN oder Sigfox). Ebenfalls konnte eine vorkompilierte Bibliothek für das innovative mioty-Protokoll integriert werden.
Die Protokollimplementierung LoRaWAN unterstützt die Betriebsklassen Class A, B sowie C. Außerdem werden sowohl von der Protokollimplementierung als auch von dem Treiber der Funkmodulansteuerung die Regionen ETSI und FCC unterstützt. Bei der Protokollimplementierung Wireless M-Bus werden die Modi C1, C2, S1, S1-m, S2, T1 und T2 unterstützt. Wobei in jedem Modus die Rolle eines Zählers als auch die Rolle eines Datenkonzentrators realisiert werden kann.
testphase
Im Arbeitspaket „Test" wurden für verschiedene erforderliche Module Komponententests (Unit-Test) erstellt. Die Testphase wurde teilweise vorgezogen und parallel zu den weiteren Arbeitspaketen bearbeitet, so konnten die Module „SATP", „VLFM" oder „nvmMgmt" bereits während der Implementierung mit einer hohen Testtiefe entwickelt werden. Durch die erforderlichen Anpassungen der einzelnen Protokollimplementierungen wurden die Komponententests laufend aktualisiert und erweitert.
Zusammenfassung und Ergebnisse
Die definierten konnten Arbeitspakete wie geplant umgesetzt werden. Während der Projektlaufzeit wurde eine erste generische Hardware-Abstraktion (HAL) für Funkmodule verschiedener Hersteller entwickelt und implementiert. So können nun – unabhängig der eingesetzten Protokollimplementierung – die gleichen Hardware-Treiber genutzt werden. Das entwickelte Management Modul für die nicht-flüchtige Speicherung von Konfigurationsdaten in einem Festspeicher sorgt insgesamt für mehr Effizienz. Durch diese Entwicklung können die Managementkonfigurationen der verschiedenen Kommunikations-Stacks über ein gemeinsam genutztes Modul organisiert und die Speicherzugriffe optimiert werden. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz eine einfachere Portierung auf neue Hardware. Die Implementierung eines generischen Fragmentierungsmoduls für ein Firmware-Update über die Luftschnittstelle hat den Vorteil, dass große Nutzdaten auf mehrere Pakete aufgeteilt werden und somit der Datenverlust minimiert wird.
Während der Arbeiten für das Förderprojekt Multi-IoT konnte STACKFORCE wichtige Erkenntnisse für die bereits bestehenden Produkte im eigenen Portfolio gewinnen und diese für Multi-IoT Anforderungen anpassen und erweitern. So entstand die Idee der Multi-Stacks, deren Entwicklung wir aktuell fokussieren.
multi stacks - unsere flexiblen lösungen
Unsere Multi-Stacks bieten die Möglichkeit, zwischen zahlreichen Stacks und Funkstandards wie z.B. mioty®, LoRaWAN®, wireless M-Bus, OMS, Sigfox u.a. zu wählen. Durch diese flexible Lösung erreichen Sie das Maximum an Nutzbarkeit wenn Sie Ihr Produkt mit dem Internet der Dinge (IoT) verbinden.
fragen?
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