Cyber Physical Systems

Das Internet der Dinge ist mehr als die Summe seiner Teile

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Interoperabilität durch Standard-Protokolle

Vernetzter Haushalt: Netzwerke im Heimbereich können zahlreiche Geräte enthalten. Die Geräte lassen sich auch von Endanwendern über Smartphones, Tablets und PCs sowie über Geräteschnittstellen steuern.
Vernetzter Haushalt: Netzwerke im Heimbereich können zahlreiche Geräte enthalten. Die Geräte lassen sich auch von Endanwendern über Smartphones, Tablets und PCs sowie über Geräteschnittstellen steuern.
(Grafik: Silicon Labs)

Damit das IoT funktioniert, müssen sich alle Geräte problemlos miteinander verbinden lassen und ohne Eingriffe des Menschen interagieren. Der Schlüssel zu dieser Interoperabilität liegt in offenen Standards, die ermöglichen, dass viele Geräte miteinander kommunizieren können. Die Fähigkeit der Kommunikation zwischen Geräten verbessert den Wert des Netzwerks, wie Metcalfes Gesetz vorhersagt. Sobald die Netzwerk-Infrastruktur vorhanden ist, können mehr Informationen und Intelligenz zu vernachlässigbaren Zusatzkosten erreicht werden.

Um dieses Entwicklungsniveau zu erreichen, muss die Software spezifische Hardware-Details abstrahieren, indem eine gemeinsame Applikationsschicht (Application Layer) realisiert wird, die sich Geräte und Applikationen teilen können. Indem man vernetzten Geräten eine gemeinsame Sprache gibt, die ihnen eine autonome Kommunikation ermöglicht, wird die darunter liegende Technologie zum Transport von Daten irrelevant. Dies entlastet die Entwickler.

Es gibt keine drahtlose oder leitungsgebundene Technologie, die die Anforderungen aller Applikationen in einem Netzwerk effizient erfüllen kann. Zur Entwicklung kosteneffizienter IoT-Produkte müssen Ingenieure in der Lage sein, den optimalen Kommunikationskanal und das am besten geeignete Protokoll für ihre Anwendung zu wählen. Daher nutzt das IoT eine Vielzahl von Protokollen.

Damit Geräte über das gesamte Internet genutzt werden können, müssen sie auf dem Kommunikationskanal auch IP unterstützen. Obwohl Wi-Fi von Grund auf IP unterstützt und mit Smartphones, Tablets und PCs arbeitet, verbraucht es für vernetzte Geräte, die mit nur einer Batterie über viele Jahre hinweg arbeiten müssen oder ihre Energie aus der Umgebung beziehen, zu viel Energie.

Vernetzte Geräte müssen Protokolle nutzen können, die einfach und für Datenraten ausgelegt sind, die ihre Anforderungen erfüllen. Geräte, die über einen zentralen Controller mit dem IoT verbunden sind, können proprietäre Standards nutzen. Vorausgesetzt, ihre Daten sind verteilt und in ein Standardformat gewandelt, bevor sie über ein Gateway in das Internet gelangen.

Für Applikationen mit geringer Bandbreite, die keinen direkten Eingriff durch den Anwender benötigen, repräsentieren Funktechniken wie 2,4GHz-ZigBee und Sub-GHz eine Lower-Power Drahtlosverbindung, die auf einfache Weise in Embedded-Systeme integrierbar ist. Für Applikationen wie Türöffner für Garagen oder Systeme, die Konnektivität über weite Entfernungen verlangen – etwa Bewässerungssysteme – ist ein Sub-GHz-Funksystem wahrscheinlich die optimale Lösung. Wenn Zwei-Wege-Kommunikation, Datensicherheit (Security) oder eine große Zahl an Geräten in einem Mesh-Netzwerk verbunden werden müssen, bietet ZigBee eine robuste Implementierung.

Eine Mesh-Topologie ist für viele IoT-Applikationen ideal. Ein Wi-Fi-Router kann möglicherweise nicht das gesamte Haus abdecken. Das ZigBee-Protokoll hingegen unterstützt Mesh-Topologien, die es erlauben, weit von einem Netzwerk-Gateway entfernte Knoten über Peer-Geräte zu erreichen, die als Einstiegsmöglichkeiten dienen. Darüber hinaus können Mesh-Topologien automatisch neue Geräte konfigurieren, damit Nutzungsmuster genutzt werden können, die das System bereits erlernt hat.

Skalierbarkeit ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Bluetooth zum Beispiel ist auf lediglich sieben Geräte in einem Netzwerk limitiert. Bei Wi-Fi sind es 32. Netzwerke auf der Basis des ZigBee-Stacks EmberZNet Pro von Silicon Labs bieten eine selbstkonfigurierende und selbstheilende Mesh-Konnektivität, die erweitert werden können, um Hunderte oder Tausende von Geräten an ein einziges Netzwerk anzubinden.

Das ZigBee-Protokoll, von der ZigBee-Allianz auf den Weg gebracht, steht für ein Framework, das Herstellern von vernetzten Geräten die Möglichkeit zur Entwicklung von auf Standards basierenden Produkten bietet, die für interoperable M2M-Kommunikationen in der Lage sind. ZigBee-Standardprofile wie zum Beispiel ZigBee Smart Energy, ZigBee Home Automation, ZigBee Building Automation, ZigBee Light Link und jetzt auch ZigBee IP bieten interoperable Plattformen, die die Entwicklung von IoT-Anwendungen für Smart Homes und kommerzielle Gebäude, intelligente Systeme zur Steuerung von Beleuchtungen, Smart Meter und In-Home Energie-Monitoring-Systeme vereinfachen.

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