Morse Micro hat zwei Wi-Fi-HaLow-USB-Dongle-Referenzdesigns vorgestellt, die das Hinzufügen drahtloser Verbindungen mit großer Reichweite zu Geräten erleichtern sollen, die ursprünglich nicht mit integrierter Wi-Fi-HaLow-Hardware entwickelt wurden.

Die MM8108-RD09 und MM8108-RD17 basieren beide auf dem System-on-Chip MM8108 des Unternehmens und verwenden USB als Verbindungspunkt zwischen Wi-Fi HaLow und einer bestehenden Hostplattform. Für industrielle Anwender ist dieser Ansatz von Bedeutung, da er einen möglichen Upgradepfad für Computer, Roboter und Edge-Geräte schafft, ohne dass Hersteller das Host-Motherboard für ein dediziertes HaLow-Funkmodul neu entwickeln müssen.

Abbildung 1. Die MM8108-USB-Referenzdesigns von Morse Micro bieten zwei verschiedene Ansätze, um bestehende Geräte um Wi-Fi-HaLow-Konnektivität zu erweitern.

Warum USB das Integrationsproblem verändert

Wi-Fi HaLow wurde bislang meist im Zusammenhang mit neuen IoT-Geräten diskutiert, bei denen das Funkmodul von Anfang an in das Produkt integriert werden kann. Industrieumgebungen sind anders. In einer Anlage können sich bereits Computer, mobile Geräte, Roboter oder Embedded-Controller mit noch jahrelanger Nutzungsdauer befinden, auch wenn diesen Plattformen die für eine neue Anwendung erforderliche Funktechnologie fehlt.

Die gesamte Hostplattform allein für eine weitere Funkschnittstelle zu ersetzen, ist selten attraktiv. Auch die Neuentwicklung der Elektronik rund um ein neues Funkmodul kann schwierig sein, da sie Anforderungen an HF-Engineering, Firmware, Zertifizierung und Mechanik mit sich bringt. Eine USB-Implementierung verlagert einen großen Teil dieser Komplexität in ein externes Referenzdesign und lässt die bestehende Hostarchitektur weitgehend unverändert.

Das macht die Integration nicht in jeder Anwendung vollständig zu einem Plug-and-Play-Prozess, verändert jedoch den Ausgangspunkt für die Entwicklung. Statt zu fragen, wie ein Industriecomputer für Wi-Fi HaLow neu entwickelt werden muss, können Entwickler zunächst prüfen, ob eine vorhandene USB-Schnittstelle die erforderliche Konnektivität bereitstellen kann.

Wi-Fi HaLow zielt auf einen anderen Bereich der Funktechnik ab

Wi-Fi HaLow basiert auf IEEE 802.11ah und arbeitet im Sub-GHz-Spektrum statt in den 2,4-, 5- und 6-GHz-Bändern, die mit dem gängigen Wi-Fi verbunden sind. Die niedrigere Betriebsfrequenz soll für IoT-Anwendungen eine größere Reichweite und bessere Ausbreitungseigenschaften ermöglichen und zugleich native IP-Vernetzung beibehalten.

Morse Micro gibt an, dass seine HaLow-Implementierungen Netzwerkverbindungen über Entfernungen von etwa einem Kilometer ermöglichen können. Die tatsächliche Reichweite in Industrieumgebungen hängt jedoch stets von regionalen Frequenzvorschriften, Antennen, Sendeleistung, Hindernissen, Störungen und den physikalischen Gegebenheiten ab.

Das macht die Technologie für Standorte interessant, an denen eine herkömmliche WLAN-Abdeckung schwierig oder infrastrukturell aufwendig wird. Lagerhallen, Prozessbereiche im Außenbereich, Logistikgelände, landwirtschaftliche Anlagen und verteilte Industrieanlagen können Entfernungen umfassen, die sich mit gewöhnlichen Annahmen zur drahtlosen Innenraumversorgung nur schwer abdecken lassen.

Der Vorteil liegt nicht ausschließlich in der maximalen Reichweite. Wi-Fi HaLow ist außerdem für einen energiesparenden IoT-Betrieb ausgelegt und behält dabei die vertraute IP-basierte Vernetzung bei. Dadurch kann sich der Bedarf an Protokollübersetzungen zwischen der Funkverbindung und herkömmlicher Ethernet- oder IP-Infrastruktur verringern.

RD09 erweitert Wi-Fi HaLow auf bestehende Netzwerkinfrastrukturen

Der MM8108-RD09 ist für den Betrieb sowohl als Access Point als auch als Station ausgelegt. Morse Micro bietet OpenWrt-Unterstützung, mit der kompatible Router und Access Points mit USB-Anbindung um Wi-Fi-HaLow-Funktionen erweitert werden können.

Dadurch ist der RD09 besonders für Infrastrukturentwickler und Systemintegratoren relevant. Eine vorhandene Routerplattform bietet möglicherweise bereits Ethernet-Routing, Firewalling, Management und weitere Netzwerkfunktionen, während das USB-Referenzdesign die HaLow-Funkschicht ergänzt.

Dasselbe Design kann auch Clientgeräte unterstützen. Morse Micro führt native Treiberunterstützung für Windows und Linux sowie eine macOS-Anwendung auf, sodass herkömmliche Computer über das USB-Gerät eine Verbindung zu Wi-Fi-HaLow-Netzwerken herstellen können.

Aus Sicht der industriellen Integration handelt es sich um eine relativ vertraute Architektur: Das Betriebssystem versteht den WLAN-Adapter über eine dedizierte Software, und der Host kann mit dem HaLow-Netzwerk als Netzwerkschnittstelle interagieren.

RD17 wählt einen interessanteren Ansatz für Industrieanlagen

Der MM8108-RD17 löst ein anderes Problem. Statt vorauszusetzen, dass der Host einen dedizierten Wi-Fi-HaLow-Adapter und den dazugehörigen Treiber versteht, gibt sich der Dongle als standardmäßige CDC-NCM-Ethernet-Schnittstelle aus.

Für den Host sieht die Verbindung daher viel eher wie eine herkömmliche Netzwerkschnittstelle aus. Morse Micro bezeichnet den RD17 als treiberlos, weil Geräte, die die standardisierte CDC-NCM-Schnittstelle unterstützen, keinen dedizierten Morse-Micro-Wi-Fi-HaLow-Treiber benötigen, der auf dem Host installiert wird.

Diese Unterscheidung ist in Industriesystemen wichtig, in denen Softwareumgebungen streng kontrolliert werden können. Ein Industriecomputer kann ein validiertes Betriebssystem-Image ausführen, das Betreiber nicht verändern möchten. Ein Robotercontroller oder eine eingebettete Plattform kann ebenfalls USB-Unterstützung bieten, aber nur wenig Flexibilität für das Hinzufügen von Kernel-Treibern von Drittanbietern.

Indem ein größerer Teil der HaLow-spezifischen Implementierung vom Host wegverlagert wird, erweitert der RD17 potenziell den Kreis der Geräte, die diese Funktechnologie nutzen können. Morse Micro nennt ausdrücklich Industriecomputer und Robotik als Zielanwendungen sowie Point-of-Sale-Terminals und Android- oder iOS-Geräte.

Treiberlos bedeutet nicht konfigurationsfrei

Der Begriff „treiberlos“ kann leicht den Eindruck erwecken, dass keine Integrationsarbeit erforderlich ist. In der Praxis ist der entscheidende Punkt enger gefasst: Der Host benötigt keinen speziellen Wi-Fi-HaLow-Treiber, wenn er bereits die standardmäßige CDC-NCM-Ethernet-Schnittstelle unterstützt.

Netzwerkkonfiguration, Authentifizierung, Adressierung und Kommunikation auf Anwendungsebene müssen weiterhin berücksichtigt werden. Industrieingenieure müssen außerdem bewerten, wie der neue drahtlose Pfad mit der bestehenden Netzwerksegmentierung, den Cybersicherheitsrichtlinien und den Praktiken zur Geräteverwaltung zusammenspielt.

Der RD17 unterstützt Wi-Fi Easy Connect, auch bekannt als Device Provisioning Protocol, und verfügt über eine Pairing-Taste zur Geräteauthentifizierung. Dies kann die Inbetriebnahme im Vergleich zur manuellen Konfiguration drahtloser Zugangsdaten über eine host-spezifische Anwendung vereinfachen.

Für Unternehmen, die zahlreiche verteilte Geräte verwalten, ist die Inbetriebnahme oft ebenso wichtig wie die Funkleistung. Eine technisch leistungsfähige drahtlose Verbindung wird im großen Maßstab schwierig zu betreiben, wenn für jeden Endpunkt ein anderer Bereitstellungsprozess erforderlich ist.

Bestehende Industriecomputer sind ein naheliegender Anwendungsfall

Industrie-PCs bleiben oft deutlich länger im Einsatz als Consumer-Computer. Ihre Prozessoren, I/O-Schnittstellen und Software erfüllen möglicherweise weiterhin die Anforderungen der Anwendung, selbst wenn die ursprünglichen Netzwerkoptionen nicht mehr zur neuen Anlagenarchitektur passen.

Eine HaLow-Schnittstelle auf USB-Basis bietet eine Möglichkeit, diese Systeme zu erweitern, ohne den Computer auszutauschen. Ein Industrie-PC zur Überwachung entfernter Anlagen könnte beispielsweise potenziell über HaLow verbunden werden, während seine bestehende Software und sein Ethernet-basierter Anwendungs-Stack erhalten bleiben.

Das ist besonders relevant für HMI- und Industrial-Computing-Plattformen, bei denen die Nutzungsdauer der Hardware oft den Lebenszyklus einzelner Kommunikationstechnologien übersteigt.

Das gleiche Prinzip gilt für Edge-Computing-Systeme. Ein Edge-Gerät kann Sensordaten erfassen, lokale Analysen durchführen oder Machine-Learning-Inferenz nahe am Prozess ausführen. Wenn die vorhandene Netzwerkverbindung die erforderliche Entfernung nicht wirtschaftlich abdecken kann, lässt sich eine zusätzliche Funkschnittstelle möglicherweise einfacher hinzufügen, als die gesamte Edge-Plattform neu zu konzipieren.

Robotik stellt andere Anforderungen an die Konnektivität

Roboter und autonome Industriegeräte sind ein weiterer Bereich, in dem der USB-Ansatz nützlich sein könnte, wobei die Konnektivitätsanforderungen je nach Anwendung erheblich variieren. Nicht jede Roboterkommunikationsverbindung sollte auf ein drahtloses Netzwerk mit großer Reichweite verlagert werden, insbesondere wenn deterministische Steuerung oder sicherheitsrelevante Kommunikation erforderlich ist.

Es gibt jedoch viele sekundäre Datenströme, für die das drahtlose Netzwerk nicht den primären Regelkreis der Bewegungssteuerung schließen muss. Diagnoseinformationen, Zustandsdaten von Geräten, Produktionsstatus, Softwareverwaltung und ausgewählte Sensordaten können allesamt Kandidaten für eine separate Konnektivität sein.

Ein mobiler Roboter, der sich über eine große Anlage bewegt, kann ebenfalls den praktisch abdeckbaren Bereich eines einzelnen herkömmlichen Access Points verlassen. Eine Erweiterung der Konnektivität über Funk im Sub-GHz-Bereich könnte je nach Anlagenlayout und Leistungsanforderungen einige Abdeckungsprobleme verringern.

Die technische Frage lautet daher nicht, ob Wi-Fi HaLow jede bestehende industrielle Funktechnologie ersetzen sollte. Entscheidend ist vielmehr, ob die Kombination aus Reichweite, IP-Vernetzung und geringerem Energieverbrauch für einen bestimmten Kommunikationspfad besser geeignet ist als die Alternativen.

Große Reichweite kann die Infrastruktur reduzieren, doch die Funkplanung bleibt entscheidend

Eine Reichweitenangabe im Kilometerbereich ist attraktiv, doch Industrieanlagen ähneln nur selten offenen Labor-Testumgebungen. Stahlkonstruktionen, Maschinen, Lagerregale, Prozessbehälter und verstärkte Wände können die Ausbreitung von Funkwellen beeinflussen, während Geräte in der Nähe zu elektrischen Störungen und Interferenzen beitragen können.

Aus diesem Grund könnte der praktische Nutzen von HaLow eher in weniger Access Points oder einer besseren Abdeckung in schwierigen Bereichen liegen als lediglich darin, die maximal beworbene Reichweite zu erzielen. Eine Standortanalyse und Tests unter realen Installationsbedingungen bleiben immer dann wichtig, wenn das drahtlose Netzwerk betriebswichtige Daten übertragen soll.

Auch das Betriebsband unter 1 GHz variiert je nach Region. Daher müssen Produktkonfiguration und regulatorische Anforderungen berücksichtigt werden, wenn Geräte international eingesetzt werden. Industrielle OEMs, die eine Plattform für mehrere Märkte planen, können nicht davon ausgehen, dass die Funkparameter überall identisch sind.

Native IP vereinfacht die Netzwerkarchitektur

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Wi-Fi HaLow für die industrielle Integration ist die native IP-Konnektivität. Einige IoT-Technologien mit großer Reichweite sind gezielt auf Sensornetzwerke mit niedriger Datenrate optimiert und benötigen Gateways, um zwischen dem Funkprotokoll und standardmäßigen IP-Netzwerken zu übersetzen.

HaLow verfolgt einen anderen Ansatz. Geräte können direkt an IP-Netzwerken teilnehmen, wodurch die Integration für Teams vertrauter sein kann, die bereits Ethernet- und Wi-Fi-Infrastrukturen verwalten.

Dadurch entfällt nicht der Bedarf an Gateways, Firewalls oder Routing, wenn die Architektur diese erfordert. Es bedeutet lediglich, dass die Protokollübersetzung nicht grundsätzlich Bestandteil jeder Verbindung sein muss.

Für Ingenieure, die an Systemen für industrielle Kommunikation und Vernetzung arbeiten, kann diese Vertrautheit einen Teil des Softwareintegrationsaufwands reduzieren, der normalerweise mit der Einführung einer spezialisierten Funktechnologie mit großer Reichweite verbunden ist.

MM8108 bietet mehr Spielraum als eine einfache Sensorkonnektivität

Der MM8108 ist Morse Micros Wi-Fi-HaLow-SoC der zweiten Generation. Das Unternehmen gibt PHY-Datenraten von ungefähr 43,3 Mbit/s unter unterstützten Betriebsbedingungen an, womit das Gerät deutlich über den Durchsatzanforderungen vieler einfacher Telemetrieanwendungen liegt.

Das bedeutet nicht, dass eine industrielle Installation kontinuierlich die maximale PHY-Datenrate erreicht, insbesondere bei größerer Reichweite. Der tatsächliche Anwendungsdurchsatz wird durch Kanalbedingungen, Modulation, Protokoll-Overhead und Netzwerkdesign beeinflusst.

Es trägt jedoch dazu bei zu erklären, warum Morse Micro die neuen USB-Designs sowohl für Edge-KI als auch für herkömmliche IoT-Konnektivität positioniert. Verteilte Edge-Systeme können deutlich mehr Informationen erzeugen als einfache Temperatur- oder Drucksensoren, insbesondere wenn Anwendungen Maschinendiagnosen, Bilder oder umfangreichere Betriebsdaten umfassen.

USB kann auch die Prototypenentwicklung beschleunigen

Der Nutzen eines Referenzdesigns beschränkt sich nicht auf die Nachrüstung von Produktionsgeräten. USB-Hardware kann auch die frühe Evaluierung erleichtern, da Entwickler sich nicht sofort auf eine kundenspezifische Funkplatine festlegen müssen.

Ein Systemintegrator kann Abdeckung, Durchsatz und Anwendungsverhalten mit einem vorhandenen Host testen, bevor entschieden wird, ob ein späteres Produktionsdesign die USB-Implementierung beibehalten oder den MM8108 direkter integrieren soll.

Dadurch sinkt die Hürde, die wichtigste Frage in der frühen Phase zu beantworten: Löst Wi-Fi HaLow das Konnektivitätsproblem an diesem Standort tatsächlich?

Wenn die Antwort nein lautet, hat das Entwicklungsteam einen erheblichen Hardwareentwicklungsaufwand vermieden. Lautet die Antwort ja, können während der Prototypenphase erhobene Messungen die Platzierung der Antennen, die Netzwerktopologie und die künftige Produktentwicklung beeinflussen.

Zwei Referenzdesigns für zwei unterschiedliche Modernisierungspfade

Der Unterschied zwischen RD09 und RD17 ist letztlich wichtiger als die Tatsache, dass beide Produkte USB verwenden. Der RD09 integriert HaLow als native drahtlose Schnittstelle und eignet sich besonders für Router, Zugangspunkte und Computer, bei denen eine spezielle Softwareunterstützung praktikabel ist.

Der RD17 abstrahiert einen größeren Teil dieser Integration vom Host, indem er als standardmäßige CDC-NCM-Ethernet-Schnittstelle erscheint. Dadurch eignet er sich möglicherweise besser für industrielle und eingebettete Anlagen, bei denen die Installation zusätzlicher WLAN-Treiber unerwünscht oder unmöglich ist.

Beide Ansätze zielen auf dasselbe übergeordnete Problem: Eine große installierte Basis von Anlagen wurde entwickelt, bevor Wi-Fi HaLow kommerziell verfügbar war, und der Austausch dieser Anlagen allein für eine weitere Funktechnologie lässt sich nur schwer rechtfertigen.

Die größere Chance: Konnektivität ohne eine Neuentwicklung der Maschine

Die industrielle Bedeutung der neuen Referenzdesigns von Morse Micro liegt daher weniger im USB-Anschluss selbst als in dem, was dieser Anschluss vermeidet. Bestehende Anlagen könnten Zugang zu Sub-GHz-Netzwerken mit großer Reichweite erhalten, ohne dass der Host vollständig neu entwickelt werden muss, während Entwickler HaLow mit ihnen bereits vertrauten Hardwareplattformen testen können.

Das könnte für Industriecomputer, Roboter, Edge-Geräte und Netzwerkinfrastrukturen nützlich sein, die über große Anlagen verteilt sind und bei denen sich die Abdeckung mit herkömmlichem WLAN nur schwer oder kostspielig erweitern lässt. Der RD17 ist besonders bemerkenswert, weil seine standardisierte Ethernet-Schnittstelle die Abhängigkeit von hostspezifischen WLAN-Treibern verringert und damit ein häufiges Hindernis in älteren und eingebetteten Systemen beseitigt.

Wi-Fi HaLow wird nicht jedes Industrienetzwerk ersetzen, und drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite sollte auch nicht als Ersatz für deterministische Steuerungsinfrastrukturen betrachtet werden. Seine größte Stärke könnte vielmehr darin liegen, die Lücke zwischen kurzreichweitigem herkömmlichem WLAN und spezialisierten IoT-Netzwerken mit niedriger Datenrate zu schließen – insbesondere dort, wo Anlagen über eine größere physische Fläche hinweg eine native IP-Konnektivität benötigen.

Für Industrieingenieure machen die neuen USB-Designs diese Option leichter testbar. Statt mit einem neuen Motherboard, Funkmodul und Softwareintegrationsprojekt zu beginnen, kann das erste Experiment nun möglicherweise an einem verfügbaren USB-Anschluss starten.