WiFi in ein Gerät zu integrieren ist zunächst eine Entscheidung über die Stromversorgung und erst in zweiter Linie eine über die Konnektivität. Eine WiFi-Verbindung verbraucht im Dauerbetrieb ungefähr so viel Energie, wie ein Low-Power-Funkstandard über einen vollständigen Duty-Cycle benötigt. Deshalb wird die Frage nach der Stromquelle in der Regel zuerst geklärt und das Protokoll danach.

Der Reiz von WiFi ist leicht zu verstehen. Es erreicht das Internet ohne eigenes Gateway, bietet genügend Bandbreite für eine Kamera oder einen Firmware-Update und landet in einem Netz, das in nahezu jedem Gebäude bereits vorhanden ist. Die Kosten zeigen sich im Akkuverbrauch und in der Wärmeentwicklung. Ein Design, das lange Laufzeit und WiFi gleichzeitig anstrebt, muss die Einschaltdauer des Funkmoduls streng rationieren oder das Gerät letztlich am Netz betreiben.

Der Stromverbrauchsunterschied, den WiFi erzeugt

Ein Low-Power-Funkmodul und ein WiFi-Modul sind keine zwei Punkte auf derselben Skala, sondern gehören verschiedenen Leistungsklassen an. Ein Low-Power-Knoten verharrt zwischen kurzen Ereignissen bei einem oder zwei Mikroampere und überträgt mit vielleicht zehn Milliampere. Ein WiFi-Modul misst seinen Strombedarf in Zehn- bis Hunderten von Milliampere, solange die Verbindung besteht, erreicht das obere Ende dieses Bereichs bei Sendebursts, und selbst eine assoziierte, aber inaktive Station kann im Zehn-Milliampere-Bereich verweilen, wenn sie die Verbindung aufrecht erhält. Dieser Unterschied steht im Mittelpunkt des Themas Entscheidung zwischen WiFi und einem Low-Power-Funk, und die Stromquelle entscheidet darüber weit mehr als die Datenmenge, die das Gerät übertragen muss.

Wer den Energieaufwand eines WiFi-Austauschs in der Praxis durchrechnet, merkt schnell, dass der Unterschied keine abstrakte Größe ist. Ein Funkmodul aus dem Kaltstart hochzufahren bedeutet, nach dem Access Point zu suchen, den Assoziierungs- und Authentifizierungs-Handshake durchzuführen und eine Adresse per DHCP zu beziehen, eine Sequenz, die das Modul mehrere Hundert Millisekunden bis ein oder zwei Sekunden wachhält, alles bei hohen Sende- und Empfangsströmen. Sobald das Gerät eingebunden ist, hält es entweder die Verbindung offen oder trennt sie und bezahlt den Kaltstart-Aufwand beim nächsten Aufwachen erneut. Das Offenhalten ist der Bereich, in dem WiFi-Power-Save-Modi zum Einsatz kommen: Eine Station kann dem Access Point mitteilen, dass sie schlafen geht, und dann nur noch zum DTIM-Beacon aufwachen, etwa alle hundert Millisekunden, um zu prüfen, ob Daten warten. Das senkt den mittleren Stromverbrauch erheblich, aber nie auf das Niveau eines Low-Power-Knotens, weil das Modul noch immer nach dem Beacon-Takt aufwachen muss und der Verbindungszustand aufrechterhalten werden muss. Ein vollständiger IP-Stack sitzt darüber, mit eigenem Speicher und den Timern, die TCP-Verbindungen und Keepalives am Leben erhalten, sodass der Prozessor nicht so tief oder so lange schlafen kann wie ein Low-Power-Baustein zwischen seinen eigenen Beacons. Das ist keine verschwenderische Entwicklung, sondern der Preis dafür, dasselbe Protokoll wie ein Laptop zu sprechen, und er legt einen Mindeststromverbrauch fest, den keine clevere Firmware unterschreitet. Eine Knopfzelle mit einigen Hundert Milliamperestunden kann diesen Mindestwert nicht lange aufrechterhalten. Das ist der eigentliche Grund, warum WiFi-Geräte meist an einem Netzteil, einem großen Akkupack oder einer für kurze Einsatzdauer dimensionierten Primärzelle betrieben werden. Designs, die WiFi tatsächlich mit Batterie betreiben, überleben, indem sie selten senden und zwischen den Sendevorgängen tief schlafen, dabei den Kaltstart-Energieaufwand jedes Mal als Preis für das Nichtaufrechterhalten der Verbindung akzeptieren. Selbst dann ist der Akku groß oder das Meldeintervall lang. Das 2,4-GHz-Band, das diese Funkmodule mit allen anderen WiFi- und Bluetooth-Geräten teilen, erzwingt bei Kanalauslastung Wiederholungsübertragungen, und jeder Retry kostet zusätzliche Sendeenergie. Ein realistisches Budget enthält daher einen Aufschlag für ein belegtes Band und nicht den Freiluft-Wert aus dem Datenblatt, ein Aufschlag, der leicht vergessen wird und in einem Gebäude voller Access Points schmerzhaft auffällt.

Die Wiederverbindungsrechnung entscheidet viele WiFi-Batterie-Designs. Wenn ein Kaltstart einige Hundert Millijoule kostet und das Gerät einmal pro Minute meldet, kann allein die Join-Energie die Energie der übertragenen Daten bei Weitem übersteigen. Der entscheidende Hebel ist also die Häufigkeit, mit der das Modul hochgefahren werden muss, und nicht die Datenmenge, die es dann sendet. Das Intervall zu strecken hilft ebenso wie bei jedem anderen Funk, aber WiFi bestraft ein kurzes Intervall härter, weil seine festen Kosten pro Join deutlich höher sind. Ein Design, das alle paar Sekunden melden muss, fährt mit Power-Save und offener Verbindung meist besser als mit erneutem Join, während eines, das alle paar Minuten meldet, durch Trennen und erneutes Verbinden vorne liegt. Der Kreuzungspunkt zwischen diesen beiden Strategien ist eine echte Berechnung und keine Schätzung.

Wärme ist die stillere Konsequenz. Ein Funkmodul, das in Bursts einige Hundert Milliampere zieht, erwärmt die Platine und belastet den versorgenden Regler. Ein WiFi-Design braucht daher eine Versorgung, die diese Stromspitzen ohne Einbruch der Betriebsspannung liefern kann, sowie einen thermischen Pfad, den ein geschlossenes Gehäuse nicht abwürgt. Ein Brownout bei einem Sendepeak äußert sich als wegfallende Verbindung, die schwer zu verfolgen ist, weil er nur unter Last auftritt. Deshalb werden Entkopplung und Reglerreserve um ein WiFi-Bauteil für den Spitzen- und nicht für den Mittelwert ausgelegt. Das sind Überlegungen, die ein Low-Power-Knoten nie aufwirft, und sie gehören zu dem, was die WiFi-Wahl im Stillen mitbringt.

Wann WiFi trotzdem die richtige Wahl ist

All das schließt WiFi nicht aus, sondern benennt nur die Kosten. Ein Gerät mit Netzversorgung oder mit der Notwendigkeit, Video zu streamen, echte Bandbreite zu transportieren oder einen Cloud-Dienst ohne eigens installierten Hub zu erreichen, will oft WiFi trotz des Stromverbrauchs. Für diese Geräte stellt sich die Frage nicht mehr, ob WiFi eingesetzt wird, sondern wie es sich integrieren lässt. Eine smarte Steckdose, eine Türklingel-Kamera und ein Küchengerät gehören alle in diese Gruppe: fest eingesteckt oder oft genug geladen, sodass der Strombedarf des Moduls das Design nicht mehr bestimmt, und nah genug an einem Router für eine zuverlässige Verbindung. Selbst ein Batteriegerät kann hier landen, wenn es selten genug meldet. Ein Türsensor, der täglich einige wenige Pakete sendet und den Rest der Zeit schläft, kann mit WiFi ein Jahr lang mit einem vernünftigen Akkupack laufen, weil der Duty-Cycle so niedrig ist, dass der Mindeststromverbrauch keine Chance hat, ihn zu entladen. Die Entscheidung dreht sich weniger um den Ruf des Protokolls als darum, seinen realen Duty-Cycle mit der verfügbaren Energie des Produkts abzugleichen.

Der integrierte Weg: WiFi im SoC

Der gängige Weg, WiFi heute hinzuzufügen, ist ein System-on-Chip, das Funkmodul, Stack und Anwendungsprozessor in einem Bauteil zusammenführt. Der ESP32 vereint WiFi und Bluetooth auf einem einzigen Host, mit einem Dual-Core-Prozessor, der genügend Reserven hat, um Anwendung und Netzwerk-Stack gemeinsam auszuführen. Das erklärt seine weite Verbreitung in vernetzten Konsumerprodukten, die beide Funkstandards und eine geringe Bauteilanzahl benötigen. Er verfügt über ausreichend Flash und RAM für eine vollwertige Applikation, treibt Displays und Sensoren über eigene Peripherie an, und seine große Verbreitung bedeutet ein tiefes Reservoir an Beispielcode sowie eine verlässliche Verfügbarkeit, die kleinere Hersteller nicht bieten können.

Die Produktlinie hat sich seither nach Kosten und Funkausstattung aufgefächert. Der ESP32-C3 überträgt dasselbe Konzept auf einen einzelnen RISC-V-Kern zu einem niedrigeren Preis, was für einen einfachen WiFi-Knoten geeignet ist, der Konnektivität und eine überschaubare Applikation benötigt, aber nicht die Dual-Core-Rechenleistung des ursprünglichen Bauteils. Die Pin- und Software-Kompatibilität bleibt nah genug beieinander, um eine Kostenreduzierung zu erleichtern. Der ESP32-C6 bringt WiFi 6 und ein 802.15.4-Funkmodul für Thread in einem Bauteil zusammen, ausgerichtet auf Geräte, die gleichzeitig in einem modernen WiFi-Netz arbeiten und einem Low-Power-Mesh beitreten müssen. Das ist die Form, die Matter Designs vorgibt: Ein Produkt kann über ein Funkmodul in Betrieb genommen werden und seinen eigentlichen Datenverkehr über das andere abwickeln. Die neueren Bauteile bieten mehr Funkfähigkeiten zu niedrigerem Preis als das Original und setzen sich jeweils an einen anderen Punkt derselben Kurve.

Das ältere Bauteil hat weiterhin seine Berechtigung. Der ESP8266EX bleibt ein kostengünstiger Weg, ein Gerät mit WiFi zu verbinden, wenn ein Design nichts weiter als eine einfache vernetzte Verbindung und ein bekanntes Modulformat benötigt und die Stückliste unter Druck steht. Er läuft mit einem einzelnen Kern, knappem Speicher und ohne zweites Funkmodul, passt daher zur eng umrissenen Aufgabe statt zur flexiblen, und zahlreiche einfache vernetzte Geräte werden damit ausgeliefert, weil er genau diese eine Sache zu einem Preis erledigt, den neuere Bauteile nicht anstreben.

Durch die Familie zieht sich ein Muster. Der integrierte SoC gewinnt, wenn WiFi das Kernmerkmal des Produkts ist und das Design darum herum aufgebaut werden kann: Der kleinstmögliche Standby-Strom wird gegen ein einziges Bauteil eingetauscht, das alles übernimmt. Wenn das Funkmodul dagegen eine Ergänzung zu einem Gerät ist, das bereits seinen eigenen Prozessor und eigene Low-Power-Anforderungen hat, ändert sich die Rechnung.

Das ist die Unterscheidung, die im Blick zu behalten ist.

WiFi zu einem bereits vorhandenen MCU hinzufügen

Viele Produkte haben bereits den richtigen Mikrocontroller für ihre Aufgabe und müssen ihn lediglich mit WiFi ausstatten, ohne das gesamte Design an einen drahtlosen SoC abzugeben. Die Antwort ist ein WiFi-Coprozessor: ein Bauteil, das Funkmodul und Netzwerk-Stack trägt und über SPI mit dem Host kommuniziert, während die Anwendung auf dem bereits gewählten Prozessor verbleibt. Der ATWINC1500 ergänzt einen MCU auf genau diese Weise mit WiFi und führt den TCP/IP-Stack auf eigenem Silizium aus, sodass ein einfacher Host online gehen kann, ohne zu einem vollwertigen Applikationsprozessor zu werden. Das zertifizierte Modul, die Antenne und die Funk-Firmware bleiben als bekannter Block, den das Team nicht selbst entwickeln muss.

Stromverbrauch treibt auch diese Kategorie an. Der WF200 zielt auf stromsparende WiFi-Konnektivität und reduziert den Strom, den das Funkmodul in seinen verschiedenen Zuständen zieht, sodass ein batterie- oder energieerntebetriebenes Design eine realistische Chance hat, WiFi überhaupt einzusetzen, innerhalb der Grenzen, die das Protokoll setzt. Er kann einen Low-Power-Funk mit Knopfzelle nicht ersetzen, und der Mindeststromverbrauch gilt weiterhin. Aber er verringert den Abstand ausreichend, um für ein Gerät relevant zu sein, das WiFi sprechen und gleichzeitig eine Batterie schonen muss. Außerdem ermöglicht er einem Host-MCU, der für Low-Power ausgewählt wurde, diesen Charakter zu bewahren, statt durch ein stromhungrigeres integriertes Bauteil ersetzt zu werden.

Der Coprozessor-Ansatz erhält bestehende Designinvestitionen, auf Kosten von zwei Chips gegenüber dem einen des integrierten Bauteils und einer zu verwaltenden Verbindung zwischen ihnen. Welchen Weg ein Produkt einschlägt, hängt davon ab, welche Rolle WiFi darin spielt: zentral genug, um das Design darauf aufzubauen, oder eine Ergänzung zu einem Gerät, dessen Kern bereits festgelegt ist.