Die richtige Anschlusslösung: unerlässlich für ein effektives Internet der Dinge

Das Internet der Dinge (IoT) verändert die Welt, in der wir leben, mit rasanter Geschwindigkeit. Es gibt mittlerweile wesentlich mehr vernetzte Geräte, die miteinander kommunizieren, als Menschen auf dem Planeten – eine Tatsache, die mit dem Aufkommen neuer Geräte und Anwendungen voraussichtlich weiter deutlich zunehmen wird.

Definitionsgemäß muss jedes der Geräte in der Lage sein, zu kommunizieren, um als „vernetzt“ zu gelten, wobei Fortschritte bei Kommunikationsprotokollen und der zugehörigen Hardware Schlüsselfaktoren für das Wachstum und den Erfolg des IoT sind. Angesichts so vieler Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen und einer beträchtlichen Anzahl von verfügbaren Protokolloptionen kann jedoch der Einstieg in die Welt der IoT-Konnektivität für viele eine schwieriges Unterfangen darstellen.

In diesem Artikel untersucht Murata Europe, wie sich wichtige Kommunikationstechnologien entwickelt haben, um die komplexen Anforderungen des IoT zu erfüllen, und erörtert eine Hardwarelösung, welche Entwicklungsarbeiten erheblich erleichtern kann.

Während viele Schätzungen des Umfangs und der Größe des IoT in Frage gestellt werden können, gilt es als erwiesen, dass es heutzutage mehr vernetzte Geräte als Menschen gibt. Cisco schätzt, dass der Punkt, an dem angeschlossene Geräte anfingen, die Anzahl der Menschen zu übersteigen, bereits 2004/2005 erreicht wurde. Seither hat ihre Anzahl noch einmal enorm zugenommen, wozu immer mehr Smartphones, tragbare Geräte, intelligente Städte, intelligente Häuser, intelligente Fabriken und sogar vernetzte Autos beitragen.

Das führende Marktforschungsunternehmen Gartner geht davon aus, dass bis Ende 2018 mehr als 11 Milliarden vernetzte Geräte zur Verfügung stehen werden. Bis 2020 wird sich diese Zahl auf 20 Milliarden fast verdoppeln. Es wird erwartet, dass die damit verbundenen Einnahmen steigen werden, allerdings zu einem niedrigeren Preis. Das deutet darauf hin, dass die Preise unter Druck geraten werden. Der aktuelle Trend geht also dahin, dass immer kleinere und einfachere Knoten zum IoT hinzugefügt werden.

Auswahl von IoT-Kommunikationsprotokollen

Bei der Auswahl der richtigen Protokolle für eine IoT-Anwendung müssen verschiedene Dinge berücksichtigt werden. Angesichts der Tatsache, dass viele IoT-Knoten dezentral angeordnet sind, um Daten sammeln zu können, ist die Reichweite ein wichtiger Faktor. Die Entfernung von Knotenpunkten macht auch die Verfügbarkeit von Strom zu einem wichtigen Punkt, insbesondere dann, wenn die einzige Stromquelle eine Batterie ist – denn häufige Batteriewechsel sind sehr unpraktisch.

Während viele der mit dem IoT verbundenen Kommunikationen kleine Datenpakete von relativ einfachen Sensoren umfassen, kann in einigen Anwendungen, wie z. B. in sichtbasierten Systemen, der Datendurchsatz erheblich sein.

Abbildung 1: Durch die Berücksichtigung einiger wichtiger Kriterien wird die Auswahl des IoT-Kommunikationsprotokolls vereinfacht

Die Größe und der Umfang des Netzwerks sind ebenfalls wichtig, da einige Protokolle sich für Dutzende oder sogar Hunderte von gleichzeitigen Verbindungen eignen, während andere typischerweise mit weniger Verbindungen besser funktionieren.

Die Notwendigkeit für (k)eine native IP-Unterstützung schließt mehrere potenzielle Protokolle ein oder aus. Die Popularität eines bestimmten Protokolls stellt zudem sicher, dass ausreichende Hardware- und Firmware-Optionen sowie eine leicht zugängliche technische Unterstützung während des Entwicklungszyklus verfügbar sind.

Im Kurzstreckenbereich werden Bluetooth und Wi-Fi zu dominierenden Technologien. Sie beide bieten verschiedene Eigenschaften und Vorteile für verschiedene Arten von IoT-Anwendungen.

Bluetooth

Bluetooth ist ein extrem beliebtes Kommunikationsprotokoll und auf fast jedem Smartphone und Tablet verfügbar, das heute verwendet wird. In jüngster Vergangenheit wurde das Protokoll immer wieder um neue Funktionen erweitert, die seine Eignung für IoT-Anwendungen verbessert haben. Bei Bluetooth 4.0 (manchmal auch „Bluetooth Smart“ genannt) ging es um den Gedanken, kleine Datenpakete zu übertragen, bevor das Gerät in einen Schlafmodus versetzt wird. Dadurch konnte der Gesamtstromverbrauch erheblich reduziert werden. Hiervon profitieren vor allem IoT-Anwendungen, da konstante Datenströme von langsam laufenden Sensoren in der Regel nicht benötigt werden.

Wenn zwei Bluetooth Low Energy-Geräte (BLE) miteinander vernetzt sind, bleibt die Verbindung bestehen, während die Datenübertragung ruht. Dies reduziert den Energiebedarf, aber im Gegensatz zu früheren Bluetooth-Versionen entfällt die Notwendigkeit, die Hardware herunterzufahren. BLE stellte zudem eine Reihe an sicherheitsrelevanten Updates bereit, darunter sichere Paarung, Man-in-the-Middle-Schutz, AES-128-Verschlüsselung und eine Reihe von Standardprofilen, die eine schnelle Anwendungsentwicklung ermöglichen.

Weitere inkrementelle Innovationen führten dazu, dass 4.1 ein besseres Geräte-Power-Management bieten konnte. 4.2 dann verbesserte die Konnektivität und erhöhte Paketkapazität um das Zehnfache und den Datendurchsatz um das 2,5-fache.

Die neueste Version (Bluetooth 5.0) wurde 2016 eingeführt und war erneut ein wichtiger Schritt in Richtung IoT-bezogener Funktionalität und Leistung. Im Vergleich zu 4.2 verdoppelt 5.0 die Bandbreite auf 2 Mbit/s (obwohl der Paket-Overhead dies auf 1,6 Mbit/s beschränkt), erhöht die Reichweite um das Vierfache und erreicht einen theoretischen Wert von 300 Metern. In dieser Version kann Reichweite für Datendurchsatz eingetauscht werden und erreicht in Außenbereichen bis zu 200 Meter.

Die 2013 eingeführte Scatternet-Option bietet Flexibilität, da Knoten als Master oder Slave konfiguriert werden können. Die Möglichkeit, ein Mesh-Netzwerk zu konfigurieren, erhöht die potenzielle Abdeckung dramatisch, indem Zwischenknoten als Bereitstellungspunkte für Datenpakete verwendet werden.

Wi-Fi

Wenn höhere Datenraten über eine Entfernung von mehreren zehn Metern erforderlich sind, ist Wi-Fi eine der beliebtesten Optionen. Angesichts der hohen Anzahl an Geräten mit eingebautem Wi-Fi sind Transceiver frei verfügbar und die Kosten sinken. Einfache Router, wie sie in Privathaushalten und Büros verwendet werden, bieten Gateway-Funktionen für das Internet, ohne dass spezielle oder proprietäre Hardware benötigt wird.

Wi-Fi basierte ursprünglich auf dem 2,4-GHz-Band, welches neuerdings jedoch mit anderen Protokollen (wie Bluetooth und Zigbee) überlastet ist, die diesen Platz belegen. Die Einführung eines zweiten Bandes bei 5 GHz ermöglicht den Zugang zu einem weniger überlasteten Teil des Spektrums. Dies führt zu einer größeren Verbindungszuverlässigkeit, wenn eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erforderlich ist.

Aufgrund der schnellen Entwicklung und der Vielzahl von Anwendungsfällen stehen mehrere Versionen von Wi-Fi gleichzeitig zur Verfügung. Obwohl viele IoT-Anwendungen – auch solche, die einen relativ hohen Datendurchsatz erfordern – frühere Versionen von Wi-Fi verwenden können, werden Entwickler in der Regel am besten mit einem der neuesten Protokolle wie 802.11ac bedient. Ein Zurückfallen auf ein langsameres, älteres Protokoll kann das gesamte Netzwerk verlangsamen, wenn das IoT-Gerät aktiv ist. Durch die Verwendung mehrerer Antennen sind Datenraten von mindestens 1 Gbit/s auf dem 5-GHz-Band möglich. Zudem werden an jedem kompatiblen Router wird Datenraten mit einem 802.11ac-IoT-Knoten aufrechterhalten.

Multi-Protokoll

Mit den geringen Kosten für das Hinzufügen von Bluetooth-Funktionalität zu einem Wi-Fi-Gerät ist es üblich, dass IoT-Geräte heutzutage beide Protokolle unterstützen. Dies bringt nicht nur Flexibilität im laufenden Betrieb, sondern vereinfacht auch die Installation und Konfiguration.

Beispielsweise kann ein Bluetooth-fähiges Gerät, z. B. ein Smartphone oder Tablet mit einer entsprechenden App, eine Verbindung zum Knoten herstellen und diesen ohne die Komplexität von Wi-Fi konfigurieren. Sobald die Konfiguration abgeschlossen ist, wird der IoT-Knoten neu gestartet und dann für den normalen Betrieb mit dem Wi-Fi-Netzwerk verbunden.

Eine modulare Lösung für Wi-Fi und Bluetooth

Das Typ 1DX-Modul von Murata ist ein ultrakompaktes Modul, das 2,4-GHz-WLAN- (Wi-Fi-) und Bluetooth-Funktionalität umfasst. Basierend auf einer CYW4343W von Cypress verfügt das Modul über eine hocheffiziente RF-Front-End-Schaltung, die einen Betrieb bei niedriger Leistung gewährleistet – ideal für IoT-Anwendungen.

Das geschirmte Baukastensystem misst nur 6,95 mm x 5,15 mm x 1,1 mm und bietet aufgrund fehlender externer Komponenten eine äußerst kompakte und leichte Lösung. Entwickler müssen lediglich eine Antenne, eine Stromquelle, einen Prozessor und eine Schnittstellenlogik hinzufügen, um ein Multiprotokoll-Funkgerät zu bauen.

Abbildung 2: Das Wi-Fi- und Bluetooth-Modul der Baureihe 1DX von Murata

Ein Referenzdesign für die Antenne wird mitgeliefert, wodurch Entwickler Zeit und Kosten sparen, da sie auf der Grundlage bestehender Zulassungen die Einhaltung von FCC/IC, JAPAN Telec und RED für CE nachweisen können.

Markteinführungszeiten werden dank Linux- und Android-Unterstützung sowie der Möglichkeit, das WICED-Software-Development Kit von Cypress mit dem Gerät zur Entwicklung und zum Debuggen zu verwenden, reduziert.

Zusammenfassung

Die Auswahl und Entwicklung von Funkkommunikations-Komponenten für IoT-Anwendungen mag auf den ersten Blick aufgrund der Anzahl der verfügbaren Protokolle eine entmutigende Aussicht sein. Durch die Berücksichtigung einer Reihe von einfachen Kriterien wird der Entscheidungsprozess jedoch erheblich vereinfacht.

Modulare Lösungen wie das 1DX von Murata vereinfachen die Entwicklung, indem sie einen großen Teil der Funktionalität in ein kleines, energiesparendes Modul integrieren, das für die Umsetzung eines Designs nur wenige externe Bauelemente benötigt.

Durch Software-Flexibilität, leicht verfügbare Software-Entwicklungstools, Referenzdesigns für die Antenne und Zertifizierungen nach internationalen Standards werden Designkosten und Markteinführungszeiten für Entwickler, die diesen Ansatz wählen, erheblich reduziert.