IoT ohne Internet: Pragmatischer Ansatz für Konnektivität

| Autor / Redakteur: Neil Hamilton * / Michael Eckstein

Die Thingstream-Konnektivitätsplattform arbeitet flexibel mit unterschiedlichen Cloud-Applikationen zusammen – ohne Einsatz von TCP/IP
Die Thingstream-Konnektivitätsplattform arbeitet flexibel mit unterschiedlichen Cloud-Applikationen zusammen – ohne Einsatz von TCP/IP (Bild: Clipdealer/Nirut Sangkeaw)

Thingstream bietet eine IoT-Konnektivitätslösung für das vorhandene GSM-Netz – ohne Einsatz von TCP/IP. Entwickler von Hardware für Anwendungen im Internet of Things brauchen sich nicht um Netzbetreiber oder Datenverträge kümmern. Möglich macht dies das verwendete MQTT-Protokoll.

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) expandiert – und hat tiefgreifende Auswirkungen auf unseren Alltag. Verschiedene Prognosen etwa von IDC, Gartner und Cisco rechnen bis zum Jahr 2020 mit 20 bis 50 Milliarden vernetzten IoT-Geräten. Die Vorhersagen werden immer mutiger, langfristiger und überschlagen sich mit neuen vielstelligen Zahlen. IHS Markit geht davon aus, dass die Anzahl der IoT-Geräte bis zum Jahr 2030 auf 125 Milliarden ansteigen wird, was einem durchschnittlichen jährlichen Anstieg von 12 Prozent seit 2017 entsprechen würde.

Konnektivität zum Internet in IoT-Anwendungen

Wie viele IoT-Geräte es nun wirklich werden, wird sich zeigen – die Prognosen sind zumindest vielversprechend. Klar ist heute schon: Schwerpunkte sind neue mobile Anwendungen, Fertigungsautomatisierung, Anlagensteuerung, Logistik und autonomes Fahren, aber auch Umweltschutz und Landwirtschaft. Verizons IoT-Studie von 2017 zeigt, dass der Fertigungssektor ein jährliches Wachstum von 84 Prozent in Bezug auf globale IoT-Verbindungen verzeichnet, dicht gefolgt von Energie- und Versorgungsunternehmen sowie Logistik.

Wichtigetes Kriterium ist die Netzabdeckung – und der Kostenfaktor

Für das Design von IoT-Geräten benötigen Entwickler unter anderem eine energieeffiziente, kostengünstige Konnektivitätslösung. Derzeit gibt es hierfür verschiedene Optionen, die verschiedene Vor-und Nachteile bieten. Die Netzabdeckung ist ein wichtiges Kriterium bei der Evaluierung der geeigneten Konnektivitätslösung. Ebenso relevant sind Interoperabilität, Sicherheit, Skalierbarkeit und nicht zuletzt der Stromverbrauch der Kommunikationsmodule direkt an der IoT-Hardware.

Leistungsfähige LPWA-Netzwerke (Low Power Wide Area) gewinnen für die IoT-Kommunikation generell an Bedeutung, sind aber von einer flächendeckenden Verfügbarkeit noch weit entfernt. Lizenzierte LPWA-Technologien wie die zwei Standards NB-IoT (Narrowband-IoT, auch Cat-NB1) und Cat-M1 basieren auf dem LTE/4G-Mobilfunknetz, wo vorhanden. Die grenzüberschreitende Interoperabilität ist jedoch eingeschränkt. So lässt sich ein LTE/NB-IoT-Funkmodul nicht europaweit einsetzen. Da für je nach Land unterschiedliche Module erforderlich sind, erhöht dies den Fertigungs- und Kostenaufwand. Die Mobilfunkindustrie hat auch das Thema 5G eng mit dem Internet der Dinge verknüpft, um den Netzausbau zu forcieren, der auch mitfinanziert werden muss von potenziellen industriellen Nutzern. Nicht-lizenzierte Technologien wie Sigfox, Ingenu und LoRa sind ebenfalls verfügbar, aber der Netzwerkausbau braucht seine Zeit und beschränkt sich derzeit überwiegend auf Ballungsgebiete.

Bei IoT-Applikationen stellt sich grundsätzlich die Frage, welche Datenmengen transferiert werden müssen. Da die Kosten für die Datenübertragung über eine Internetverbindung verhältnismäßig hoch sind, müssen Unternehmen genau überlegen, was sie kommunizieren. Ein Missverständnis ist ohnehin, dass es bei IoT-Konnektivität stets um große Mengen an Informationen geht. In Wirklichkeit müssen bei vielen Anwendungen nur kleine Pakete von Daten, typischerweise nicht mehr als 160 Bytes, kommuniziert werden, so dass eine Internetverbindung in den meisten Fällen nicht notwendig ist. So ist die enorme Bandbreite von 5G nicht zwangsläufig erforderlich, da bei industriellen IoT-Anwendungen die meisten IoT-Geräte nur alle 15 Minuten ein paar Bytes an Daten austauschen.

MQTT als Messaging-Option ermöglicht IoT ohne „Internet“-Anbindung

Gibt es überhaupt eine schlanke, effiziente Lösung, die nicht vom geplanten Netzausbau der kommenden Jahre abhängig ist? Was bei der Auswahl einer IoT-Konnektivitätslösung berücksichtigt werden sollte, ist der Aufwand, der nötig ist, um die Daten von den „Dingen“ auf die IoT-Plattform zu bringen. Darüber hinaus stellt sich die Frage, wie sich Servicequalität erzielen lässt. Anders ausgedrückt: Wie lässt sich sicherstellen, dass Nachrichten von den „Dingen“ auch zuverlässig die Anwendung erreichen.

Das häufigste Protokoll für IoT-Netzwerkverkehr ist MQTT (Message Queue Telemetry Transport), ein Publish-/Subscribe-Messaging-Protokoll, das für M2M-Telemetrie (Maschine zu Maschine) in Umgebungen mit geringer Bandbreite entwickelt wurde. Hierzu zählt auch die Variante MQTT/SN (MQTT for Sensor Networks) für Sensornetzwerk-Anwendungen.

MQTT verfügt über integrierte Servicequalität (Quality of Service, QoS), was für viele IoT-Anwendungen entscheidend ist. Es macht die Kommunikation in unzuverlässigen Netzwerken viel einfacher, weil das Protokoll falls nötig eine erneute Übertragung abwickelt und die Zustellung der Nachricht garantiert – unabhängig davon, wie unzuverlässig der zugrundeliegende Transport ist. Außerdem ermöglicht es MQTT einem Client, den QoS-Level zu wählen, abhängig von seiner Netzwerksicherheit und Anwendungslogik. Wenn es auf Einfachheit ankommt, um Daten von den „Dingen“ auf verknüpfte IoT-Plattformen zu bekommen, und die Kommunikation garantiert stattfinden soll, ist eine Konnektivitätslösung mit integriertem MQTT zielführend. Diese zuverlässige und kostengünstige Messaging-Option mit geringer Bandbreite steht im bereits vorhandenen GSM-Sprachnetzwerk zur Verfügung und bietet sich gerade für sensorbasierte IoT-Anwendungen an.

Sicher, zuverlässig sowie flächendeckend verfügbar

Thingstream bietet eine End-to-End-Konnektivitätslösung für globale IoT-Konnektivität, ohne dass sich Entwickler um Netzbetreiber oder Datenverträge kümmern müssen. Die Nutzung von MQTT über USSD (Unstructured Supplementary Service Data) im nahezu flächendeckend verfügbaren GSM-Netz macht die Sache für IoT-Szenarien interessant. Durch den einfachen Wechsel auf das jeweils stärkste verfügbare GSM-Netz sind mit dem Thingstream-Modul ausgestattete IoT-Geräte in der Lage, über Grenzen hinweg in über 190 Ländern weltweit ohne Serviceunterbrechung zu arbeiten. Die Kommunikation läuft dabei weder per SMS noch über mobiles Internet. Ein weiterer entscheidender Vorteil: Die IoT-Geräte werden ohne TCP/IP-Verbindung mit der IoT-Plattform verbunden, so dass sie für das Internet nicht sichtbar sind. Dies eliminiert das Risiko beispielsweise von Botnets und anderen bösartigen Aktivitäten via Internetzugriff.

Über MQTT-Messaging lassen sich kleine Datenmengen schnell, sicher, zuverlässig und kostengünstig versenden. Die Konnektivitätslösung unterstützt auch uneingeschränkte bidirektionale Kommunikation. Dies ermöglicht das Realisieren kompakter, energieeffizienter Geräte, die bereits heute ein weitreichend verfügbares globales Netzwerk nutzen können. Entwickler von IoT-Geräten können somit entscheidende Konnektivitätshürden überwinden, die viele IoT-Projekte bislang ausgebremst haben.

Der gängige Funktionsumfang von IoT-Hardware umfasst Steuerung, Stromversorgung & Energiemanagement, Datensensorik & Datenverarbeitung und – nicht zu vergessen – Konnektivität. Für alle grundlegenden Funktionen sind Microcontroller-Boards und Halbleiterkomponenten auf dem Markt verfügbar. Aufgabe der Entwickler ist es, den erforderlichen Funktionsumfang, gesteuert von einer Firmware, in einem kompakten Formfaktor unterzubringen. Der Prototyp wird in der Regel auf einer Physical-Computing-Plattform Arduino oder Raspberry Pi erstellt. Als gängige Programmiersprachen dienen neben der plattformspezifische Arduino-IDE (basierend auf C++) vor allem Java, JavaScript, C/C++, Node.js und Python.

Konnektivität ist entscheidend für das IoT-Wachstum

Das Thema Konnektivität steht im Lastenheft von IoT-Gräten nicht immer an vorderster Stelle. Erst im weiteren Verlauf der Entwicklung fällt oft die Entscheidung, welche Art von Konnektivität für die erforderliche Datenkommunikation integriert werden muss. Thingstream unterstützt Entwickler hier mit einer Out-of-the-Box-Lösung für IoT-Konnektivität auf Basis von GSM und MQTT/SN via USSD, wie zuvor beschrieben. Das Entwicklungskit ermöglicht es, Prototypen für den IoT-Einsatz schneller zu realisieren.

Hierbei können Entwickler Halbleiterkomponenten auf einer einfachen Leiterplatte zusammenfügen. Es folgt die Programmierung der Sensorikanwendung zur späteren Erfassung und Weiterleitung der Daten im Praxiseinsatz. Bei aktiver Anwendungsnutzlast können die Daten auf der API des IoT-Moduls abgerufen werden. Ein entscheidender Vorteil der Thingstream-Plattform ist, dass sich IoT-Entwickler nicht mit AT-Befehlen zum Konfigurieren und Parametrieren von Modems für die Datenübertragung auseinandersetzen müssen. Das Modem ist sofort einsatzbereit. Das spart wertvolle Zeit, die für QM-Tests genutzt werden kann.

Der entscheidende Vorteil eines einsatzbereiten IoT-Kommunikationsmoduls ist, dass es nach erfolgter Aktivierung mittels MQTT mit jeder IoT-Zielplattform Kontakt aufnehmen kann. Die an Bord integrierte SIM-Karte verbindet sich stets mit dem stärksten verfügbaren GSM-Signal. Die Übertragung der IoT-Datennutzlast ist nicht auf eine Mobildateninfrastruktur wie GPRS, UMTS oder LTE angewiesen. IoT-Entwickler können das Thema Konnektivität abhaken, ohne sich mit Netzbetreibern, Übertragungsraten, Roaming und Tarifen auseinandersetzen zu müssen.

Hinzu kommt der Aspekt, dass IoT-Entwickler oft keine Möglichkeit haben, den Prototyp und das fertige Gerät in der Praxis zu testen. Mit der IoT- Entwicklungsplattform von Thingstream lässt sich eine serverseitige MQTT-Subscribe- und Publish-Umgebung emulieren. Somit können Entwickler die Funktion des Geräts sowohl im Prototyp- als auch in Produktionsstadium praxisnah testen. Der entscheidende Test ist der Praxiseinsatz. Dabei geht es nicht nur um Funktionsfähigkeit, denn technisch ist vieles machbar, sondern um Wirtschaftlichkeit. Die nüchterne Kosten-Nutzen-Bilanz entscheidet darüber, ob ein IoT-Projekt eine potenziell kostspielige Vision bleibt oder zur wirtschaftlichen Erfolgsstory wird. Die Konnektivität ist und bleibt in diesem Zusammenhang ein, wenn nicht sogar der entscheidende Faktor.

Soviel scheint heute schon klar: Die bestehende Infrastruktur samt abgesegneten und realistischen Ausbauprojekten wird das IoT-Wachstum kaum bewältigen können. Eine kosteneffiziente Messaging-Lösung, die auf dem bestehenden GSM-Sprachnetzwerk basiert, ist hingegen unmittelbar einsatzbereit und auch langfristig nutzbar. Entscheidende Vorteile sind die Verfügbarkeit der vorhandenen Infrastruktur mit einer nahezu flächendeckenden weltweiten Abdeckung. Nicht zu vergessen vor dem Hintergrund zunehmender Cyberangriffe und immer strengerer Sicherheitsvorschriften ist das deutlich höhere Sicherheitsniveau, da die IoT-Daten nicht über das Internet übertragen werden.

Was passiert, wenn 2G/3G eingestellt wird?

Die Thingstream-Technologie basiert auf aktuell verfügbaren Diensten im grundlegenden GSM-Netz, auf dem auch 2G und 3G aufbauen. Beide Mobilfunkgenerationen werden Stand heute in vielen Gebieten noch einige Zeit aktiv bleiben. Doch wächst langsam die Liste der Länder, die eine Abschaltung planen. Wo 2G und 3G nativ USSD unterstützen, unterstützt LTE auch weiterhin USSD, und zwar emuliert über das 4G-Netzwerk (LTE Cat1 M) nach dem Standard ETSI TS 124 390 V13.0.0. Somit ist die Konnektivität von der möglichen Abschaltung von 2G- und 3G-Diensten nicht betroffen.

Kurzfristig können Unternehmen, die heute kostengünstige IoT-Geräte bauen und für die nächsten drei bis fünf Jahre grenzüberschreitend einsetzen wollen, 2G für die Kommunikation nutzen. In den Ländern, in denen 2G nicht unterstützt wird, ist es wahrscheinlich, dass 3G mittelfristig noch vorhanden sein wird. Besser wäre es, ein kombiniertes 4G/2G-Modul zu verwenden, so dass aktuell das Beste aus beiden Welten zur Verfügung steht. Typischerweise eignet sich dieser hybride Ansatz am besten für IoT-Geräte, die ab heute für fünf bis zehn Jahre eingesetzt werden sollen. Die Frage ist jedoch, ob ein Produkt wirklich für einen zehnjährigen Einsatz entwickelt wird. In einem so dynamischen Umfeld wie dem Internet der Dinge ist ohnehin kaum abzuschätzen, was in den nächsten zehn Jahren alles kommen wird und welche IoT-Anwendungen sich letztlich in großem Stil durchsetzen werden.

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* Neil Hamilton ist Vice President Business Development von Thingstream.

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