Kommunikationsprotokolle

Konnektivität vereinfachen für das Internet der Dinge

| Autor / Redakteur: Meng He * / Franz Graser

Abbildung 1: Das Internet verbindet zunehmend Menschen und Geräte. Daher müssen viele Embedded-Systeme in Zukunft internet-fähig gemacht werden.
Abbildung 1: Das Internet verbindet zunehmend Menschen und Geräte. Daher müssen viele Embedded-Systeme in Zukunft internet-fähig gemacht werden. (Bild: Clipdealer)

Wie lässt sich Internet-Konnektivität in eingebettete Systeme einbringen? Dieser Artikel stellt Werkzeuge vor, mit denen Entwickler einen TCP/IP-Stack in ihre Systeme integrieren können.

Bis 2020 werden über 30 Milliarden Geräte drahtlos mit dem Internet der Dinge verbunden sein. Angesichts von so viel Interesse sehen sich viele Hersteller unter zunehmendem Druck, eine Vielzahl von Geräten, die Vorteile aus der Kommunikation mit anderen Geräten ziehen können, mit Internet-Konnektivität auszustatten.

Viele Entwickler wissen jedoch nicht, wie man einen robusten TCP/IP-Stack implementiert. Dieser Artikel untersucht die wichtigsten Fragen der Herstellung von Internet-Konnektivität in Embedded-Systemen und er behandelt neue Werkzeuge, mit denen die Entwickler TCP/IP in ihre Systeme einbringen können, ohne sich mit den Einzelheiten der Low-Level-Implementierung befassen zu müssen.

Abbildung 2: Datenübertragung über das Internet – die Schichten des TCP/IP-Protokolls
Abbildung 2: Datenübertragung über das Internet – die Schichten des TCP/IP-Protokolls (Bild: Cypress Semiconductor)

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ist die allgemein verbreitete Sprache für den Datenaustausch zwischen Geräten, die mit dem Internet verbunden sind. Diese Vorgaben regeln den Austausch zwischen dem Betriebssystem des Endgeräts und einer Reihe spezifischer Protokolle, z.B. SMTP, FTP oder HTTP.

TCP/IP ist in Schichten (siehe Abbildung 2) unterteilt, wobei die Internetdaten in Form von Datenfragmenten von der Anwendungsschicht (Application Layer) zur Transportschicht (Transport Layer) geleitet werden. In der Bitübertragungsschicht (Physical Layer, kurz PHY) werden die Daten im Ethernet-Protokoll nach der IEEE-Norm 802.3TM über das Internet übertragen. Ethernet gibt es in verschiedenen Varianten, je nach maximaler Bitrate, Übertragungsart und Übertragungsmedium (Glasfaser, Koax und Ähnliches).

Media Access Control (MAC) ist ein wesentlicher Bestandteil der Bitübertragungsschicht. Die MAC-Adresse ist die physikalische Adresse der Nodes in einem Ethernet-Netzwerk. Jedes Ethernet-Frame enthält sowohl eine Quell- als auch eine Zieladresse.

Übersicht über die Anwendungsschicht

Die Anwendungsschicht (Application) stellt die Bedienerschnittstelle bereit. Die folgenden Protokolle der Anwendungsschicht sind weit verbreitet [1] .

  • Hyper Text Transfer Protocol (HTTP): Datenübertragung beim Browsen im Web.
  • Simple Mail Transfer Protocol (SMTP): Übertragung von E-Mail über das Internet
  • File Transfer Protocol (FTP): Übertragung von Dateien über das Internet
  • Domain Name System (DNS): Umwandlung von Domainnamen
  • Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP): Dynamische Zuweisung von IP-Adressen an einen bestimmten Node
  • Telnet: Aufbau einer interaktiven TCP-Verbindung zu einem Node.
  • Simple Network Time Protocol (SNTP): Synchronisierung der Uhren einzelner Nodes mit einer Referenzuhr.
  • Simple Network Management Protocol (SNMP): Überwachung am Netzwerk angeschlossener Geräte auf Zustände, die einen Eingriff erfordern, etwa Störungen.

Zwei der häufigsten Anwendungen eines Embedded-TCP/IP-Stack sind Benachrichtigungssysteme und die Anzeige von Webseiten. Ein einfaches Benachrichtigungssystem im Home Automation Bereich auf SMTP-Basis ermöglicht es dem Mikroprozessor, Messwerte von Sensoren einzulesen und in bestimmten Zeitabständen als E-Mail oder Nachricht zu senden. Ein Beispiel wäre, wenn wir stündlich die Temperatur in unserem Haus per E-Mail übermittelt haben wollen.

Außerdem misst der eingebaute Mikroprozessor nicht nur die Temperatur, sondern er überwacht auch, ob die Türen und Fenster geschlossen sind und das Licht ausgeschaltet ist. Diese Informationen überwacht er den ganzen Tag. Wenn wir spät von der Arbeit nach Hause kommen, können wir den Mikroprozessor per HTTP ansprechen und erhalten eine Webseite mit all diesen Informationen. Anschließend können wir durch Ändern einiger Felder auf der Webseite in einzelnen Räumen das Licht einschalten, die Temperatur hochregeln usw.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Ethernet-Einheit, die die Systemanforderungen abdeckt, zu implementieren. Die erste Möglichkeit ist ein Ethernet-Controller-Modul. Ein Controller-Modul mit einem Hardwired-TCP/IP-Chip, einem Übertrager und einer RJ45-Buchse ist wegen der schnellen Markteinführung und des attraktiven Preises für Entwicklungsingenieure eine sehr praktische Lösung.

Es ist auch ideal für Ingenieure, die ihre Internet-fähigen Systeme so rasch wie möglich entwickeln wollen. Beispiele sind Wiznet WIZ550io, W5100 Shield und die Ethernet-Module RCM6760 MiniCore von Rabbit Semiconductor. Mit zunehmender Beliebtheit der Arduino-Plattform tauchen unterdessen auch die ersten Module auf, die zu den offiziellen Arduino-Boards kompatibel sind.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 42675798 / Embedded Software Requirements Engineering )