Cyber Physical Systems Das Internet der Dinge ist mehr als die Summe seiner Teile

Autor / Redakteur: Greg Fyke * / Franz Graser

Alle grundlegenden Teile, Produkte und Tools zur Entwicklung effizienter vernetzbarer Geräte sind vorhanden. Nun gilt es, diese Komponenten zum Internet der Dinge zusammenzufügen. Wege dazu zeigt der Kongress „Best Practices für das Internet of Things“ (www.iot-kongress.de).

Das IoT (Internet of Things) ist Realität, nicht nur eine Zukunftsvision. Und Entwickler können bei dieser neuen technischen Revolution dabei sein.
Das IoT (Internet of Things) ist Realität, nicht nur eine Zukunftsvision. Und Entwickler können bei dieser neuen technischen Revolution dabei sein.
(Bild: Silicon Labs)

Vor 20 Jahren hat der Technologieforscher George Gilder eine fundamentale Idee für das Wachstum des Internet in unser Bewusstsein gerückt. Sie wurde Anfang der 1980er Jahre von Bob Metcalfe formuliert, einem Miterfinder des Ethernet. Metcalfe argumentierte, dass der Nutzen eines Netzwerks proportional zum Quadrat der Anzahl der in ihm vernetzten Geräte sei (siehe Grafik).

Das Internet hat bereits zahlreiche Branchen verändert und neue Märkte hervorgebracht. In der nächsten Phase der Entwicklung ist das Web bereit, noch mehr zu tun. Branchenführer prognostizieren, dass die Zahl der an das Internet angebundenen Geräte bis 2015 auf über 15 Milliarden steigt und bis 2020 sogar ein Volumen von über 50 Milliarden Geräte erreicht.

Metcalfes Gesetz: Der Nutzen eines Netzwerks steigt proportional zum Quadrat der Geräte, die in ihm vernetzt sind. Die kritische Masse ist an dem Punkt erreicht, an dem dieser Nutzen die Kosten übersteigt.
Metcalfes Gesetz: Der Nutzen eines Netzwerks steigt proportional zum Quadrat der Geräte, die in ihm vernetzt sind. Die kritische Masse ist an dem Punkt erreicht, an dem dieser Nutzen die Kosten übersteigt.
(Grafik: Silicon Labs)

Diese neue Phase trägt zur Verbreitung des IoT (Internet of Things) bei. Bei den meisten vernetzten Geräten wird es sich nicht um herkömmliche PCs, Server oder Smartphones handeln, sondern um wesentlich kleinere und preiswertere Embedded-Geräte mit nur einer Funktion. Das Gesetz von Metcalfe wird den Geräten ermöglichen, einen wesentlich größeren Nutzen zu bieten als dies ohne Anbindung der Geräte an das Internet möglich wäre.

Beim Großteil der vernetzten Geräte für das IoT handelt es sich um Knoten am sogenannten „letzten Zentimeter“ des Netzwerks. Während man Mikrocontroller (MCUs) als programmierbare Gehirne des IoT verwendet, dienen Embedded-Sensoren und Aktoren als virtuelle Augen, Ohren und Finger, die Temperaturen, Luftfeuchte, Licht, physikalische Eingriffe und andere Umweltsituationen überwachen und auf Änderungen reagieren.

Machine-to-Machine-Konnektivität (M2M) statt kontinuierlicher Interaktionen durch den Endanwender ist entscheidend für die IoT-Architektur. Um etwa zu erfahren, ob die Klimaanlage trotz offener Fenster eingeschaltet ist, möchten Endanwender nicht 50 oder mehr Sensoren überwachen, die im ganzen Haus verteilt sind. Stattdessen würden es Endanwender vorziehen, von der Klimaanlage selbst alarmiert zu werden. Die verteilte Intelligenz des IoT kann dieses Leistungsvermögen freisetzen, indem die vielen virtuellen Verbindungen zwischen Geräten genutzt werden, um Daten in Echtzeit bereit zu stellen. Vernetzte Geräte können in unserem Sinne autonom agieren.

Dies kann über die direkte Kommunikation miteinander, die Interaktion mit einem „klugen“ Gateway oder dem Zusammenspiel mit der Cloud geschehen. Die Geräte lassen sich auch von Endanwendern über Smartphones, Tablets und PCs, ja sogar über Geräteschnittstellen, steuern.

Die intelligente Verbrauchsmessung (Smart Metering) repräsentiert ein Paradebeispiel einer High-Profile-IoT-Applikation. Statt einfach den Energieverbrauch zu messen, können Versorgungsunternehmen mit klugen Energiezählern mit ihren Kunden fast in Echtzeit kommunizieren und über sogenannte Opt-In-Programme große Lasten wie etwa Klimaanlagen während Zeiten des Spitzenbedarfs abschalten.

Intelligente Verbrauchszähler sind nur ein Aspekt des aufkommenden Smart Homes. Die Verfügbarkeit von nur wenigen Sensoren, zum Beispiel für Temperatur, Bewegung, Luftfeuchte, Licht- oder Glasbruch, ermöglicht ein leistungsfähiges Mesh-Netzwerk, das die Fähigkeiten aller angeschlossenen Geräte erweitert.

Der Einfluss des Gesetzes von Metcalfe zeigt sich bei Geräten, die alleine nicht effizient sind und erst durch die Nutzung einer vorhandenen Infrastruktur zu einem enormen Mehrwert führen können. Ein Beispiel ist die Reduzierung des Standby-Stromes in Haushalten und Unternehmen. Experten schätzen den Energieverbrauch im Haushalt, verursacht durch Standby-Ströme, auf sieben bis 15 Prozent des Gesamtverbrauchs.

Die Schlagkraft von Metcalfes Gesetz bedeutet Möglichkeiten für Unternehmen in allen Branchen. Ein im Bereich Sicherheit aktives Unternehmen könnte es zum Beispiel als schwierig ansehen, in die Märkte für Beleuchtung und Heimautomatisierung vorzudringen. Statt dessen könnte das Unternehmen eine Partnerschaft mit etablierten Herstellern von Beleuchtungen und Heimautomatisierungslösungen eingehen, um Dienste mit einem Zusatznutzen zu entwickeln.

Dies ist die Schlagkraft eines Ökosystems. Das IoT ermöglicht es Lieferanten von Elektronkkomponenten, Software-Herstellern, OEMs und Service-Providern, sich auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren und die Stärken von Partnerschaften zu nutzen, um überzeugende Applikationen für Endanwender zu entwickeln.

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.

IoT-Applikationsentwicklung beschleunigen

Das Internet der Dinge ist überall. Es vernetzt nicht nur Geräte, sondern nützt auch den Menschen durch mehr, aktuellere und bessere Informationen.
Das Internet der Dinge ist überall. Es vernetzt nicht nur Geräte, sondern nützt auch den Menschen durch mehr, aktuellere und bessere Informationen.
(Bild: Silicon Labs)

Software spielt eine entscheidende Rolle, wenn es um die Realisierung der Leistungsmerkmale und Fähigkeiten geht, die IoT-Applikationen verlangen. Software macht drahtlose Netzwerke robust. Sie stellt sicher, dass Mitteilungen ankommen und darauf reagiert wird, und sie ermöglicht Entwicklern die Erweiterung vernetzter Geräte um mehr Intelligenz und Flexibilität.

Entwickler können über Software modernste Funktionen implementieren. Während es nützlich ist, eine LED von einem entfernten Ort aus einzuschalten, ist es noch viel nützlicher, wenn ein LED-Beleuchtungssystem einen Anwender alarmieren kann, dass ein Leuchtkörper ersetzt werden muss. Software erweitert den Bereich autonomer Steuerung, um die Effizienz und die Bequemlichkeit zu verbessern.

Man stelle sich vor, ein Smart Home könne mit Hilfe eines intelligenten Wireless-Sensornetzwerks feststellen, ob jemand zu Hause ist. Ist niemand zu Hause, könnten alle Elektronikgeräte abgeschaltet werden. Das Resultat dieser einfachen Änderung im Betrieb ist, dass Hunderte Millionen Haushalte beachtlich Energie einsparen könnten.

Damit Ingenieure ihre IoT-Applikationen schneller auf den Markt bringen können, müssen Halbleiterhersteller ein großes Spektrum an Produktionssoftware einschließlich Treiber, Applikationsprofile und Kommunikationsstacks in Produktionsqualität wie etwa den Protokollstack EmberZNet Pro von Silicon Labs, der eine ZigBee-konforme Lösung für das IoT bietet, zur Verfügung stellen.

Produktionssoftware sollte in eine umfassende integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) integriert werden, die Entwicklern genau die Tools zur Verfügung stellt, die sie brauchen, um ihren Programmcode zu Applikationsprofilen hinzuzufügen und Netzwerk-Datenverkehr zur Optimierung von Latenz und Durchsatz zu analysieren.

Zur Erleichterung des Netzwerk-Debuggings benötigen Entwickler Tools, die es ihnen ermöglichen, alle Aktivitäten im Netzwerk in einer Ansicht zu sehen. So genannte Packet Sniffer sind von Grund auf unzuverlässig für diese Aufgabe, da sie nur die Aktivität in ihrem lokalen Bereich und nicht das gesamte Mesh-Netzwerk sehen können. Außerdem können ihre Empfänger Fehlalarme einbringen, die nicht im realen Netzwerk vorhanden sind. Idealerweise muss der Entwickler die Daten sehen können, die ein Transmitter zu übertragen beabsichtigt, sowie die Daten, die für jede Transaktion empfangen wurden.

Hardware-Entwicklungstools zur Unterstützung der Entwickler stehen ebenfalls zur Verfügung. Unterstützt werden auch Entwickler mit keiner oder nur wenig HF-Entwicklungserfahrung bei der Realisierung robuster und kosteneffizienter Wireless Applikationen für das Internet der Dinge. Durch die Verfügbarkeit einer großen Vielfalt an Entwicklungsboards zur Evaluierung der Konnektivität und Performance verschiedener Wireless-Protokolle können Ingenieure Applikationscode und Firmware gleichzeitig entwickeln und debuggen, mit dem HF-Design und der Optimierung beginnen und die Entwicklung von Netzwerk- und Protokollstack abschließen, während sich Hardware-Prototypen noch in der Entwicklung befinden.

Das Internet of Things implementieren

Traditionsgemäß war Networking der Bereich von spezialisierten Anbietern mit umfassenden Erfahrungen bei Kommunikationstechnologien. Das IoT wird durch Organisationen getrieben, die Erfahrung in der Welt der Steuerung und Automatisierung haben. Beleuchtungs- und Haushaltsgerätehersteller zum Beispiel müssen über ihre Kernkompetenzen hinaus Netzwerk-, Wireless- und Embedded Software-Technologie einbringen. Sie können diese Technologien entweder selbst entwickeln oder Partnerschaften mit Unternehmen eingehen, die bereits Produkte entwickelt haben, die sich leicht in Systeme einbinden lassen.

Ein entscheidendes Kriterium ist auch die Leistungseffizienz. Denn diese Geräte arbeiten oft nicht an Stromversorgungen, sondern beziehen ihre Energie aus der Umgebung (Energy Harvesting) oder von einer Batterie, die ohne Wartung oder Austausch mehrere Jahre halten muss. Zusätzlich zum Energieverbrauch müssen Entwickler von vernetzten Geräten Faktoren wie Systemkosten, Zahl der Bauteile, Leistungsfähigkeit der MCU, Systemabmessungen, Standards, Interoperabilität, Datensicherheit, Einfachheit beim Einsatz sowie Fehlerbeseitigung im Betrieb in Betracht ziehen.

Die Erweiterung von entfernten Geräten, die sich über Ethernet-Kabel oder Powerline Kommunikation nicht erreichen lassen, um Wireless Connectivity ist eine weitere Herausforderung bei Entwicklungen für das IoT. Diese kann von Embedded Entwicklern mit HF-Erfahrung adressiert werden. Schließlich ist Software erforderlich, um vernetzte Geräte anzubinden, Sensordaten zusammenzuführen und Endanwendern Informationen auf intuitive Weise auf Displays oder über das Internet auf ihren Computern, Tablets oder Smartphones zu präsentieren.

Im Zuge seiner weiteren Verbreitung wird das IoT neue Märkte erschließen und OEMs sowie Applikationsentwicklern in allen Branchen neue Applikationen und Möglichkeiten bieten. Das IoT ist mit kommerziell erfolgreichen Implementierungen auf mehreren Märkten, darunter vernetzte Heim- und Green-Energy-Applikationen, zur greifbaren Realität geworden. Die grundlegenden Technologien, Produkte, Software und Tools zur Entwicklung effizienter vernetzbarer Geräte mit geringer Leistungsaufnahme für die letzten Zentimeter sind heute verfügbar. Der nächste Schritt im Ausbau des Internet der Dinge besteht darin, diese Elemente zusammenzubringen und das Gesetz von Metcalfe zu erfüllen.

* Greg Fyke ist IoT Strategy Director bei Silicon Labs..

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