EP Basics: Vernetzte Sensoren Welches Funknetzwerk sich für welche IoT-Anwendung eignet

Autor / Redakteur: Torsten Krieger* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Vernetzte Sensoren sind die Nervenbahnen im Internet der Dinge. Doch welcher Typ eines Funknetzwerkes eignet sich für meine IoT-Anwendung? Die Vor- und Nachteile im Überblick.

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Funknetzwerk: Die dezentral verteilten Sensoren lassen sich via Funknetzwerk verbinden. Doch welche Topologie eignet sich für welche IoT-Anwendung?
Funknetzwerk: Die dezentral verteilten Sensoren lassen sich via Funknetzwerk verbinden. Doch welche Topologie eignet sich für welche IoT-Anwendung?
(Bild: Gerd Altmanni / Pixabay )

Egal, ob für die Gebäudeautomatisierung,das Smart Home oder für ein Funknetzwerk im industriellen Umfeld, um Produktionsabläufe zu steuern: Hier entscheidet die Funktechnik. Doch neben der drahtlosen Übertragung müssen dezentral die Daten gesammelt werden. Das übernehmen Sensoren. Die erfassten Daten wandern an eine zentrale Stelle – energieeffizient, schnell und sicher.

Vernetzte Sensoren sind nicht nur aus Wettbewerbsgründen wichtig; auch ein erhöhter Sicherheitsanspruch trägt dazu bei, eine Vielzahl von Geräten und Sensoren miteinander zu vernetzen. Solche vernetzten Sensoren helfen bei der Automobilproduktion oder wenn kleine Elektronikbauteiler hergestellt werden. Außerdem messen sie die Auslastung oder optimieren die Materialversorgung. Neu hinzugekommen ist die Vernetzung von Produktionsanlagen und Maschinen über Funk.

Funknetze lassen sich einfach installieren

Während bisher die Netzwerkelemente, die sogenannten Nodes, über ein Bussystem fest verkabelt wurden, setzen sich mehr und mehr Funknetzwerke durch. Ihre Vorteile: einfachere Installation und flexible Einsatzmöglichkeiten von Sensoren – selbst an schlecht zugänglichen Stellen. Netzwerke der Heim- und Gebäudeautomatisierung umfassen Geräte, die unterschiedlich mit Energie versorgt werden: per Energy-Harvesting, Batterie und Netzteil. Leuchten und Thermostate werden in der Regel vom Netz versorgt, da sie Teil der Gebäudeinfrastruktur sind; doch das bedeutet nicht, dass die Stromaufnahme außer Acht gelassen werden kann.

Sind die Geräte ein Teil der Infrastruktur und werden mit Wechselstrom betrieben, müssen aufgrund neuer staatlicher Vorschriften, welche die Energieaufnahme im Bereitschaftsbetrieb einschränken, sorgfältig verwaltet werden. Batterien versorgen Sensoren und Fernsteuerungen mit Energie. Das bedeutet, dass ein vermaschtes Netzwerk (Mesh Network), hinsichtlich der Stromversorgung der Knoten, zwei grundlegend verschiedene Anwendungsfälle beherrschen muss.

Die Typen eines Funknetzwerkes

Stern

Vorteile:

  • geringer Energieverbrauch,
  • hoher Datendurchsatz,
  • geringe Latenzzeit und
  • gut bewährt.

Nachteile:

  • geringe Reichweite. Die Netzelemente müssen stets in Funkreichweite des Masters sein. Ist der Master nicht in der Mitte angeordnet, kann das zu Problemen führen.

Vollvermascht

Vorteile:

  • hoch zuverlässig,
  • hoher Durchsatz
  • resistent gegenüber Ausfall einzelner Verbindungen, da jedes Element mehrfach vernetzt ist und
  • geringe Latenzzeiten.

Nachteile:

  • hoher Ressourcen- und Energiebedarf und
  • komplexe Netzwerkstruktur → hohe Anforderungen an Hard- und Software.

Vermascht

Vorteile:

  • hoch Zuverlässig,
  • Resistent gegenüber dem Ausfall einzelner Verbindungen, da jedes Element mehrfach vernetzt ist → Ausfall eines Elements sorgt nicht für Verlust von mehreren Elementen,
  • Kompromiss bei Energieverbrauch, Sicherheit und Latenzzeiten,
  • Entfernungen gut überbrücken und
  • Abzweige in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen möglich.

Nachteile:

  • erhöhte Latenzzeiten und
  • weniger Nodes auf Low-Power optimierbar, da viele Nodes bei einer Strukturänderung zusätzlich als Relay Nodes eingesetzt werden müssen.

Baum

Vorteile:

  • Kompromiss bei Energieverbrauch, Sicherheit und Latenzzeiten,
  • mittlerer Energieverbrauch,
  • Entfernungen gut überbrücken,
  • Abzweige in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen und
  • einzelne Elemente können auf ihren Anwendungsfall optimieren.

Nachteile:

  • Anfällig gegenüber Ausfall einzelner Netzwerk- Elemente (Unterbrechung der Kette), da die Rollen im System nicht dynamisch neu verteilt werden können und
  • erhöhte Latenzzeiten.

Linie

Vorteile:

  • Einfacher und ressourcenschonender Netzwerkaufbau,
  • geringer Energieverbrauch und
  • große Entfernungen leicht überbrücken.

Nachteile:

  • sehr Anfällig gegenüber Ausfall einzelner Netzwerk-Elemente (Unterbrechung der Kette) und
  • hohe Latenzzeiten.

Funknetzwerke in der Planungsphase optimieren

Je nach Anforderung und Anwendungsfall muss ein Funknetzwerk bereits in der Konzeptphase auf eines oder mehrere der folgenden Faktoren optimiert werden. In der Praxis lassen sich nicht alle Faktoren maximieren. Das Ziel einer maximalen Zuverlässigkeit widerspricht zum Beispiel dem Ziel von minimalem Energiebedarf.

  • Datendurchsatz: Datenmenge, die durch ein Netzwerk fließt
  • Latenzzeit: Zeit, die ein Datenpaket von seinem Startpunkt bis zum Ziel benötigt.
  • Zuverlässigkeit: Wie störanfällig ist das Netzwerk, bei Ausfall eines Teilnehmers (Nodes) oder Knotenpunktes?
  • Energiebedarf: Wie viel Energie wird für den Betrieb des Netzwerkes und dessen einzelner Nodes benötigt? Die Leistungsaufnahme oder der Stromverbrauch ist bei Funknetzwerken häufig ein limitierender Faktor.
  • Funkreichweite: Wie groß ist die maximale Distanz zwischen den einzelnen Nodes?
  • Frequenz: Die gewählten Frequenzbänder haben möglicherweise Einfluss auf technischen und Nationalen regulativen Vorgaben.

Welche Funktechnik eignet sich für mein Projekt?

Entscheiden sich Entwickler für den Bau von IoT-Geräten, müssen sie beachten, wie das Endprodukt später verwendet wird und in welchem Wirtschaftsökosystem die Geräte arbeiten sollen. Genauer müssen die oben genannten Leistungsmerkmale entsprechend für jeden Anwendungsfall bewertet und gewichtet werden. Ohne richtige Gewichtung lässt sich kein passendes IoT-System entwerfen und bauen.

Bei der Betriebsart Bluetooth Mesh werden mehrere Bluetooth-Geräte zu einem vermaschten Funknetzwerk zusammengeschlossen, in dem alle oder mehrere Knoten untereinander kommunizieren können. Falls sich nicht alle Teilnehmer direkt zueinander in Funkreichweite befinden, lässt sich die Reichweite über Relay Nodes (Weiterleitungen) steigern. Bluetooth Mesh ergänzt Bluetooth LE (Low Energy), bei dem es darum geht, kurze Datenpakete möglichst energiesparend zu übertragen.

Thread ist eine auf IPv6 basierende Mesh-Netzwerktechnik mit geringem Stromverbrauch. Hunderte Geräte können über ein Thread-Netzwerk untereinander vernetzt werden. Alle Geräte sind über ihre IPv6-Adresse und eine kurze Heimnetzadresse adressierbar.

Die Bluetooth- und Thread-Technik etablieren sich zunehmend in der der Gebäudeautomation, Heimautomatisierung und dem Internet der Dinge als Konkurrenz zu ZigBee und Z-Wave. Ein großer Vorteil von Bluetooth wie auch Thread ist die Herstellerneutralität. ZigBee und Z-Wave sind bei weitem nicht so flexibel und herstellerneutral einsetzbar.

Bluetooth, ZigBee und Thread arbeiten bei 2,4 GHz. Diese Frequenz versendet beliebig viele Datenpakete. Aufgrund der geringen Reichweiten von unter 100 Metern sind kaum behördliche Vorgaben zu beachten. Gleichzeitig ist die geringe Reichweite auch ein Nachteil der 2,4-GHz-Technik. Im Gegensatz dazu arbeitet Z-Wave im Sub-GHz-Band, also mit Frequenzen unterhalb von 1 GHz. Die Netzwerke bieten eine höhere Reichweite bis zu mehreren 100 Metern. Allerdings mit einer deutlich geringeren Bandbreite. Der Grund sind die restriktiveren technischen und nationalen regulativen Vorgaben.

* Torsten Krieger ist Geschäftsführer bei Krieger MIS in Groß-Zimmern.

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