Ein vernetztes Gerät besteht aus denselben Bauteilfamilien wie jede andere Embedded-Platine, erhält jedoch zusätzlich ein Funkmodul und die wenigen Komponenten, die einen unbeaufsichtigten Betrieb ermöglichen. Das Funkmodul und das Energiebudget lenken einen Großteil der Bauteilauswahl, und der Prozessor spielt hier eine geringere Rolle, als die Erfahrung am Messtisch vermuten lässt.

Drei Punkte unterscheiden diese Stückliste von einer Platine, die auf dem Schreibtisch verbleibt. Die Energiequelle muss Monate oder Jahre durchhalten, statt dauerhaft aus der Steckdose gespeist zu werden. Die Kommunikationsverbindung gehört einem Dritten und verhält sich auf Weisen, die der Entwickler nicht vollständig vorhersehen kann. Die Nutzungsdauer ist lang genug, dass einzelne Bauteile das Ende ihrer Produktionszeit erreichen, während das Produkt noch verkauft wird. Nahezu jede der nachfolgenden Entscheidungen lässt sich auf einen dieser drei Druckpunkte zurückführen, und gerade die Bauteile, die im Schaltplan unauffällig wirken, erhalten oft die sorgfältigste Aufmerksamkeit.

Einbindung ins Netzwerk

Die Konnektivität wird als Erstes festgelegt, denn sie bestimmt die Antenne und einen Großteil des Energiebudgets, bevor der Rest der Platine überhaupt existiert. Ein Gerät, das ein Jahr lang von einer Knopfzelle laufen soll, kann nicht dasselbe Funkmodul verwenden wie eines, das fest an der Wand hängt und an der Netzspannung betrieben wird. Größere Reichweite kostet in der Regel mehr Energie, und die in einer Region zugelassenen Frequenzbänder engen die Auswahl zusätzlich ein.

Für ein batteriebetriebenes Gerät, das kleine und seltene Updates über kurze Distanzen überträgt, ist Bluetooth Low Energy die übliche Wahl. Der wesentliche Aufwand liegt dabei im Auswählen des BLE-Controllers, der den geforderten Ruhestrom und das Verbindungsbudget des Produkts erreicht. Die schwierigere Entscheidung fällt, wenn ein Gerät echte Bandbreite oder direkten Zugang zu einem IP-Netzwerk benötigt. Dann muss das Team WiFi gegen ein energiesparendes Funkmodul abwägen und akzeptieren, was jede Option an Stromverbrauch und Stack-Komplexität mit sich bringt.

Jenseits einiger Dutzend Meter verschieben sich die Optionen. Eine Sub-Gigahertz-Verbindung kann bei geringem Energieverbrauch einen Kilometer oder mehr überbrücken, was sich für Zähler und Sensoren eignet, die über ein Gelände verteilt sind. Steht kein Gateway zur Verfügung, trägt das Gerät seinen eigenen Backhaul, und die Arbeit verlagert sich auf das Auswählen einer Mobilfunkklasse, von den datenratenarmen LTE-Kategorien aufwärts, abgewogen gegen den Stromverbrauch und die Frage, wie lange die Netzbetreiber diese Luftschnittstelle aufrechterhalten. Bei vielen Knoten in Innenräumen ermöglicht ein Zigbee- oder Thread-Mesh, dass jedes Gerät die anderen erreicht und um ausgefallene Knoten herumrouten kann.

Nicht jede Verbindung überträgt eine Datensitzung. NFC und RFID übermitteln eine Identität oder eine kleine Nutzlast, ohne dass auf der Tag-Seite überhaupt eine Batterie benötigt wird, weshalb sie auf Zugangskarten und Anlagen-Labels zu finden sind. Position ist eine eigene Art von Daten, und ein Gerät, das seinen Standort melden muss, benötigt einen Satellitenpositionsempfänger, wobei Antenne und Zeitdauer bis zur ersten Positionsbestimmung ebenso sorgfältig eingeplant werden wie das Funkmodul selbst.

Unabhängig vom Frequenzband arbeitet das Funkmodul nur dann zuverlässig, wenn Antenne und HF-Frontend darauf abgestimmt sind und ausreichend störungsfreier Platz auf der Platine zur Verfügung steht, ein Schritt, der eine überraschend hohe Zahl an Designs still zum Scheitern bringt. Viele Produkte verzichten auf das separate Funkmodul und integrieren Verbindung und Anwendung in einen einzigen Wireless-MCU, was etwas Flexibilität kostet, die Platine aber kleiner und günstiger macht. Dient das Gerät selbst als Hub für andere, mit Netzversorgung und ortsfest, erhält es häufig einen drahtgebundenen Uplink ins Gebäudenetz, um den von den Funkmodulen gesammelten Datenverkehr zu transportieren.

Energie, die anhält

Das Energiebudget eines vernetzten Geräts wird im Wesentlichen von zwei Kennwerten bestimmt, die wenig mit dem Prozessor zu tun haben: dem Stromverbrauch der Platine im Ruhezustand und der Häufigkeit, mit der das Funkmodul zum Senden aufwacht. Ein Design, das nahezu die gesamte Zeit schläft, steht oder fällt mit dem Ruhestromwert in Mikroampere, lange bevor die Leistung im aktiven Betrieb überhaupt relevant wird.

Wer die Rechnung aufmacht, versteht schnell, warum der Ruhestrom dominiert. Ein Sensor, der einmal pro Minute aufwacht, für etwa zweihundert Millisekunden aktiv ist, um einen Kanal auszulesen und ein kurzes Paket bei rund zehn Milliampere zu senden, und den Rest der Zeit mit wenigen Mikroampere schläft, erzeugt zwar einen realen, aber überschaubaren Energiebedarf während der aktiven Phase. Es ist der Ruhestrom, der jede Sekunde jeder Stunde fließt und eine Knopfzelle mit nur wenigen hundert Milliamperestunden entleert. Sinkt der Ruhestrom von zehn Mikroampere auf ein Mikroampere, kann die prognostizierte Lebensdauer von unter einem Jahr auf mehrere Jahre steigen, ohne dass Funkmodul oder Firmware angefasst werden. Diese Empfindlichkeit erklärt, warum das Energiemanagement rund um das Bauteil so genau unter die Lupe genommen wird: der Ruhestrom des Reglers, die Leckage dessen, was eine Versorgungsschiene zwischen den Aufwachvorgängen aufrechterhält, und die Lastschalter, die ungenutzten Platinensektionen die Versorgung kappen. Ein Regler, der bei hundert Milliampere effizient arbeitet, kann das Energiebudget trotzdem ruinieren, wenn er im Leerlauf zwanzig Mikroampere aufnimmt. Die Batteriechemie setzt die Obergrenze, und ein Feldgerät kann oft nicht damit rechnen, dass jemand eine Zelle tauscht. Das Design muss also entweder die Batterie für die gesamte Nutzungsdauer auslegen oder einen Weg finden, sie nachzuladen. Hier kommt die Auswahl der Zelle und das Ernten von Umgebungsenergie ins Spiel, sei es über ein kleines Solarpanel oder die Vibration einer Maschine, an der das Gerät befestigt ist. Geerntete Energie ist selten konstant und selten groß, daher lädt sie in der Regel einen Puffer auf, aus dem das Gerät schöpft. Das Harvesting-Frontend muss bereits bei sehr niedrigen Eingangspegeln ansprechen, damit auch ein bedeckter Tag noch einen Ertrag liefert. Temperatur beeinflusst die Zelle zusätzlich: Eine Lithium-Knopfzelle verliert in der Kälte Kapazität und erhöht ihren Innenwiderstand. Ein Gerät, das für den Betrieb bis minus zwanzig Grad Celsius ausgelegt ist, hat dort weniger reale Reserve, und ein Sendepuls kann die Versorgungsspannung so weit einbrechen lassen, dass das Gerät nach längerem Zellalter in einen Brownout gerät. Selbstentladung nimmt jährlich einen kleinen Prozentsatz ab, bevor die Last überhaupt etwas entnimmt, und bei einem Zehnjahresdesign ist das kein vernachlässigbarer Rundungsfehler. Wer einige dieser Produkte bereits ausgeliefert hat, pflegt eine Tabelle, die alle Dauerlast-Ströme aufaddiert, Ruhestrom und Regler-Overhead an erster Stelle, und diese Werte für Temperatur und Alterung deratiert, bevor er der Lebensdauerangabe auf der Verpackung vertraut.

Wenn das Gerät aktiv ist oder mit geernteter Energie oder Netzspannung betrieben wird, verlagert sich die Frage auf das saubere Wandeln dieser Energie in die Versorgungsschienen, die Funkmodul und Sensoren benötigen. Ein Schaltregler, der keine störenden Emissionen in ein empfindliches Frontend einstreut, ist hier ebenso wichtig wie das Hochfahren der Schienen in der vom Silizium erwarteten Reihenfolge. Das Funkmodul ist in der Regel der größte Verursacher von Stromspitzen, weshalb die es versorgenden Schiene die sorgfältigste Behandlung erhält.

Überleben am Einsatzort

Ein vernetztes Gerät landet meist dort, wo eine Laborplatine niemals hinkommt: an einer Fabrikwand, in einem Außenschrank oder manchmal in einem fahrenden Fahrzeug. Die Bauteile, die der Außenwelt zugewandt sind, werden ebenso sehr nach ihrer Robustheit wie nach ihrer Funktion ausgewählt, und dieser Teil der Stückliste ist es, der für Garantieretouren sorgt, wenn er unterdimensioniert ist.

In einer Fabrikhalle bringen die Schnittstellen eigene Gefahren mit sich: Erdpotenziale, die zwischen Maschinen voneinander abweichen, sowie Transienten, die auf jedem langen Kabel einreiten. Werden diese Schnittstellen mit Isolation ausgeführt, bleibt ein Fehler auf einer Seite davon abgehalten, zum Prozessor auf der anderen Seite durchzugreifen. Frühzeitig einzuplanen vermeidet eine Klasse von Feldausfällen, die sich später nur schwer eingrenzen lässt.

Im Freien sind die Bedrohungen direkter. Ein nahes Blitzeinschlag koppelt einen Überspannungsstoß auf Versorgungs- und Signalleitungen ein, und eine Person, die an einem trockenen Tag einen Steckverbinder berührt, kann eine elektrostatische Entladung von mehreren Kilovolt erzeugen. Die Platine benötigt daher Schutzmaßnahmen gegen Überspannung und ESD an jedem Port, der nach außen führt. Die Steckverbinder sind Teil der Abdichtung, und ein Außenknoten ist auf Steckverbinder und elektromechanische Bauteile angewiesen, die für die im Betrieb auftretende Feuchtigkeits- und Vibrationsbeanspruchung zugelassen sind.

Eine Uhr, die in der Kälte driftet, kann einen geplanten Aufwachzeitpunkt verpassen, weshalb Taktbauteile nach Stabilität über den Temperaturbereich ausgewählt werden.

Vertrauen, Zulassungen und Verfügbarkeit

Ein vernetztes Produkt muss außerdem einige Hürden überwinden, die wenig damit zu tun haben, ob die Schaltung funktioniert. Ein Gerät in einem öffentlichen Netz ist ein Angriffsziel, weshalb ein Hardware-Root-of-Trust, ein dedizierter Bereich zum Speichern von Schlüsseln und Verifizieren der eigenen Firmware, zu einem Standard geworden ist, nach dem Käufer inzwischen fragen. Vor dem Export muss das Funkmodul die regionalen Vorschriften erfüllen, und das Durchlaufen der Funkzulassungen dauert oft länger, als irgendjemand eingeplant hat. Es gehört deshalb von Anfang an in den Zeitplan. Da diese Produkte über Jahre hinweg verkauft werden, erfordert die Versorgungsplanung für ein langlebiges Design, genau zu beobachten, welche Bauteile die Hersteller in fünf oder acht Jahren noch fertigen, und rechtzeitig vor der ersten End-of-Life-Mitteilung einen Zweitlieferanten zu sichern.

Die Stückliste vervollständigen

Unterhalb der Konnektivitäts- und Energiethematik liegt eine gewöhnliche Digitalplatine, und ein Großteil davon stammt aus dem Standardkatalog. Der Prozessor, der die Anwendung ausführt, ist oft ein handelsübliches Bauteil, und ein Design ergänzt seine Rechenkapazität durch allgemeine MCUs, die nach Peripheriekombination und Preis ausgewählt werden. Um ihn herum benötigen die Off-Board-Busse ihre Treiber: Ein Gerät mit einer CAN- oder RS-485-Verbindung auf einem langen Kabel braucht Bus-Transceiver und die dazugehörige Isolation, und das Verbindungsglied zum Pegelwandeln oder Puffern einer Leitung stammt aus den handelsüblichen Logik- und Treiberbauteilen, die in nahezu jedem Schaltplan vorkommen.

Die Analogbauteile sind in der Anzahl geringer, aber anspruchsvoller in der Auswahl. Ein Sensorsignal benötigt in der Regel eine Konditionierung, bevor es sauber genug für die Digitalisierung ist, was Operationsverstärker und Präzisionsreferenzen erfordert, die nach niedrigem Offset und geringem Drift ausgewählt werden. Jede Versorgungsschiene der Platine geht auf einen Regler zurück, weshalb die Stückliste eine Auswahl an LDO- und DC-DC-Bauteilen enthält: die eine Art für die ruhige Analogversorgung, die andere für die effiziente Umwandlung größerer Leistungen. Ein Gerät, das mit einer wiederaufladbaren Zelle betrieben wird, ergänzt die Stückliste um die Laderegelung und die Zelle selbst, aufeinander abgestimmt, sodass das Ladeprofil zur verwendeten Chemie passt.

Schutzmaßnahmen finden sich auch auf Bauteilebene wieder. Schnittstellen und Versorgungseingang benötigen jeweils eigene Schutzbauelemente: TVS-Dioden und Sicherungen, die einen Treffer abfangen, damit das Silizium verschont bleibt. Auf der Funkseite ergänzen die diskreten HF-Frontend- und Antennenbauteile den Transceiver, und ein Produkt mit einem Mobilfunk- oder drahtgebundenen Uplink trägt die Module und Netzwerkbauteile, die diese physikalische Schicht benötigt.

Elektromechanische und diskrete Bauteile werden leicht übersehen und lassen sich nur langsam beschaffen. Leiter-zu-Platinen- und Platinen-zu-Platinen-Verbindungen entstammen einem breiten Angebot an Steckverbinderbauteilen verschiedener Hersteller, bei dem eine einzelne Serie Hunderte von Varianten umfassen kann. Festzulegen ist die genaue bestellbare Teilenummer bis hin zu Beschichtung und Verpackung, nicht die Serie selbst, und diese mechanischen Teile haben oft lange Lieferzeiten, selbst wenn die Silizium-Bauteile vorrätig sind. Ein Gerät mit einem mechanischen Bedienelement oder einer geschalteten Last benötigt Schalter und Relais, und das Schalten eines Motors oder einer Versorgungsschiene stützt sich auf MOSFETs, die nach Einschaltwiderstand und Gate-Ladung ausgewählt werden. Dahinter folgen die Transistoren und Gleichrichterdioden, die Kleinsignalschalten übernehmen und Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.

Was übrig bleibt, vervollständigt die Platine. Die Takt- und Leistungsbausteine, die Taktquellen und Leistungsmodule, kommen dort zum Einsatz, wo eine diskrete Schaltung zu viel Platinenfläche beanspruchen würde. Die Magnetics und der Rest der Passivbauteile, die Induktivitäten und die Bauteile, die filtern und Ladung speichern, sind für sich genommen günstig, aber entscheidend dafür, wie sich eine Versorgung verhält. Was sich nicht sauber in eine dieser Kategorien einordnen lässt, muss trotzdem beschafft und verwaltet werden. Deshalb hält der Katalog auch einen Platz für Bauteile bereit, die sich einer klaren Klassifikation widersetzen.