Die Vision vom Internet der Dinge sieht die Anbindung von Millionen von Geräten an das Internet vor: in Anwendungsbereichen wie der Home Automatisierung, Smart Industrial Grids oder -Cities sowie der Medizin. Für die Umsetzung einzelner Applikationen unter dem Dach dieser Vision ist ein umfangreiches Ökosystem an Komponenten und Partnern erforderlich, mit dessen Hilfe sich Dinge nicht nur vernetzen lassen, sondern auch miteinander kommunizieren können. Die drei Säulen, die dazu erforderlich sind, lassen sich mit den drei Begriffen Collect, Control und Communicate zusammenfassen.

In einem ersten Schritt benötigt ein IP-fähiges Gerät einen Sensor, der für die Erfassung von Informationen aus der Umgebung verantwortlich ist. Er dient der Messung oder Überwachung von Betriebszuständen, beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, Position, Bewegung oder Beschleunigung. Diese Sensoren senden kontinuierlich und in Echtzeit kleine Datenmengen zum Zustand eines Geräts oder zu dessen Position. Zum Einsatz in einem IoT-System gibt es heute eine Bandbreite von Halbleiter- und MEMS-basierten Sensorkomponenten, die auf geringen Formfaktor, Robustheit oder die Integration in Einheiten zur Signalverarbeitung ausgelegt sind.

Anwendungsbereiche des Internet of Things (IoT).

Anwendungsbereiche des Internet of Things (IoT).Future Electronics

In der nächsten erforderlichen Stufe erfolgt die Verarbeitung dieser Daten. Die MCU sorgt für eine Umwandlung der Daten in Handlungsanweisungen. Ein IoT verlangt günstige und energieeffiziente Prozessoren, die dennoch leistungsfähig sind. Je nach Einsatzart steht dabei der geringe Stromverbrauch für batteriebetriebene Endknotensysteme und der geringe Formfaktor im Mittelpunkt oder die Leistungsfähigkeit von hohen Datendurchsatzraten für beispielsweise Konzentratoren oder Gateways. Dementsprechend stellt die Halbleiterbranche ein umfangreiches Angebot an Mikroprozessoren für unterschiedliche Funktionsbereiche zur Verfügung.

Collect, Control und Communicate

Oftmals werden diese ersten beiden Stufen der Datenerfassung und -verarbeitung bereits mit dem Internet of Things gleichgesetzt. Allerdings handelt es sich dabei lediglich um Vorgänge, die zwischen Maschinen erfolgen und bereits unter dem Schlagwort Machine-to-Machine (M2M) Umsetzung fanden.

Das Lo-Ra-Gateway-Diagramm.

Das Lo-Ra-Gateway-Diagramm.Future Electronics

Via GSM-Modem, Wi-Fi oder Bluetooth erfolgt die Weiterleitung der Daten. Aber erst der entscheidende nächste Schritt der Kommunikation bringt die Intelligenz der Systeme ins Spiel. Erst wenn die Kommunikation der Geräte durch die Cloud erfolgt, kommt der letzte Puzzlestein zum IoT hinzu.

Ein Beispiel veranschaulicht dieses Gesamtsystem IoT: Es reicht nicht aus, wenn der Kühlschrank seinen Besitzer wissen lässt, dass keine Milch mehr vorhanden ist. Erst wenn der Kühlschrank mit dem Supermarkt vor Ort Verbindung aufnimmt, um dort den Bestand der bevorzugten Milchmarke und deren Preis abzufragen und darauf aufbauend den Bestellvorgang auslöst, schließt sich der Kreislauf. Der Bestandteil der intelligenten Kommunikation eines solchen Systems ist derzeit noch die Herausforderung, denn es gilt die vorhandene Technologie zu einem akzeptablen Preis für den Endanwender anzubieten.

Multitech Conduit ist ein schnell zu implementierendes und einfach zu programmierendes Gateway; es ist für das Internet der Dinge (IoT) ausgelegt.

Multitech Conduit ist ein schnell zu implementierendes und einfach zu programmierendes Gateway; es ist für das Internet der Dinge (IoT) ausgelegt.Future Electronics

Die Datenraten, die von einem Sensor mit geringem Energieverbrauch ausgehen, sind normalerweise recht gering in IoT-Anwendungen. Oft geschieht die Weiterleitung der Zustandsdaten nur periodisch. Die Kommunikationstechnologie zur Weiterleitung der Daten existiert bereits. Eine Anbindung an das Internet als Kommunikationsschnittstelle ist heute kabellos oder verkabelt von nahezu jedem Ort auf der Erde möglich. Allerdings verhindert der Preis dieser Anbindung von nicht verkabelten Geräten in den derzeitigen Modellen noch den flächendeckenden Einsatz von IoT-Anwendungen. Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth oder Zigbee ermöglichen lokal begrenzte Übertragungsmöglichkeiten. Allerdings erlauben sie aufgrund der eingeschränkten Reichweite zwischen 10 und 300 m noch keinen universellen Einsatz.

Eckdaten

Via GSM-Modem, Wi-Fi oder Bluetooth erfolgt die Weiterleitung der von dem Sensor erkannten Daten. Aber der entscheidende Punkt der Kommunikation ist die Intelligenz der Systeme. Erst wenn die Kommunikation der Geräte durch die Cloud erfolgt beziehungsweise wenn man Cloud- oder Hosting-Services mit all ihrer Funktionalität zur Datenvermittlung einsetzt, dann lässt sich die Vision vom globalen Internet of Things mit all seinen Vorteilen realisieren.

Mobilfunknetzwerke decken im Gegensatz dazu die industrialisierte Welt nahezu lückenlos ab. Allerdings geht die Nutzung dieser mobilen Datendienste mit einem hohen Preis einher. Dieser Preis ist für den Einsatz von Million kleinster und günstiger Geräte, die ihre erfassten Daten zum Internet senden wollen, nicht tragbar. Derzeit stellt die Ökonomie von Konzepten also noch die Hürde dar, die es zu nehmen gilt.

Revolution der Telekommunikationsinfrastruktur: Public IoT

Im Hintergrund sind bereits Prozesse angestoßen, die die nötigen Veränderungen zur Realisierung der Vision vom grenzenlosen, öffentlichen Internet of Things vorantreiben. Die Telefonnetze bewegen sich fort von den alten analogen G2-Telefonen in Richtung auf den G4-Standard. Diese LTE-Systeme sind IP-basiert und auf den Durchsatz hoher Datenraten ausgelegt und haben ihre Berechtigung für moderne Multimedia-Anwendungen, wie Gaming, Social Media oder Video, für die auch die heutigen Kostenmodelle greifen.

Die Vorteile der Lo-Ra-Technologie von Semtech sind stabile Leistung auch in lauten Umgebungen, RF-tiefes Eindringen in Gebäuden und Industriestrukturen sowie lange Akkulaufzeiten.

Die Vorteile der Lo-Ra-Technologie von Semtech sind stabile Leistung auch in lauten Umgebungen, RF-tiefes Eindringen in Gebäuden und Industriestrukturen sowie lange Akkulaufzeiten.Future Electronics

Parallel dazu entwickeln sich für IoT-Anwendungen, die lediglich geringe Datenraten übertragen müssen, neuartige Infrastrukturen. Als Basis dazu ist eine Reichweite gefragt, die Bluetooth und Zigbee deutlich übertrifft. Dazu tritt mit Lo-Ra, dem Long Range Radio von Semtech eine Technologie an, die mit einer Reichweite von bis zu 15 Kilometer die erforderlichen Voraussetzungen mitbringt. Lo-Ra erzielt diese Reichweite durch ein proprietäres Funkprotokoll auf Basis einer Modulationsmethode, die 10 db unterhalb dem normalen Rauschpegel operiert und damit immun gegen störende Interferenzen ist.

Das Lo-Ra-Signal kommt darüber hinaus mit geringem Energiebedarf aus. Aufgrund dieser Voraussetzungen liefert es die kostengünstige Übertragung geringer Datenraten. Die Telekommunikationsanbieter haben dieses Signal als Ersatz für den abzulösenden G2-Standard für sich entdeckt. So lässt sich neben der LTE-Infrastruktur für hohe Datenraten in eine zusätzliche für IoT optimierte Technologie investieren.

Eine Allianz zwischen Semtech und IBM hat ein Programm ins Leben gerufen, um Lo-Ra-Funkempfänger für geringe Datenraten, die in einer Frequenz zwischen 860 und 1020 MHz operieren, auf Mobilfunkmasten zu installieren. Durch die LoRa-Technologie wird ein drahtloser Kanal zwischen Geräten und Funkstationen etabliert und im Anschluss durch die gleiche Infrastruktur gelenkt, die Mobilfunknetzen auf dem Weg ins Internet genommen wird. IIm Internet können die Daten gespeichert oder in der Cloud Verarbeitung finden.

Die Netzwerk-Infrastruktur des Internet of Things (IoT).

Die Netzwerk-Infrastruktur des Internet of Things (IoT).Future Electronics

Das Lo-Ra-Netzwerk trifft bereits heute auf großes Interesse in der Industrie. Anbieter wie Microchip, Multi-Tech und IMST entwickeln bereits Empfangsmodule für Lo-Ra und Multi-Tech und Kerlink; darüber hinaus auch Konzentratoren, die auf den Mobilfunkmasten zum Einsatz kommen sollen. In Feldversuchen mit bis zu 5000 Knoten testet man dieses Szenario heute schon. Bis zum flächendeckenden Rollout werden allerdings noch zwei bis drei Jahre vergehen.

Zwischenzeitlich kommen zunehmend mehr Anbieter mit Modulen auf den Markt, die für den Einsatz in IoT-Anwendungen erforderlich sind. Sie enthalten bereits Sensoren, MCU und die Funklösung und nehmen damit Anwendungsherstellern, die nicht über das nötige Know-how verfügen, Berührungsängste zur Entwicklung ihrer Projekte. Diese Endpunkt-Technologie kommt bereits zum Einsatz, muss allerdings noch den Schritt der Anbindung an das Internet überbrücken.

Ein Zwischenschritt: Private IoT-Netzwerke

Bevor die öffentlichen IoT-Infrastrukturen fertiggestellt sind, behelfen sich Anbieter mit einem Zwischenschritt: dem privaten Netzwerk für das Internet der Dinge. Die vorhandenen Endknoten verbindet man dazu mit einem Gateway im Haushalt oder in Industriegebäuden. Dieser übernimmt die Aufgabe zur Internetanbindung. Der Endanwender kann auf diese Daten über mobile Zugangsgeräte wie Smartphone oder Tablet zugreifen.

Eine fertige Lösung für private IoT-Netze, die bereits den Migrationspfad zum öffentlichen Internet der Dinge vorsieht, existiert bereits von Conduit. Der Conduit-Mobilfunk-Gateway kann tausende von Endpunkten, wie drahtlose M-Dot-Module verwalten, die auf Basis der reichweitenstarken Lo-Ra-Low-Power-RF-Technologie mit Sensorknoten verbunden sind. Die M-Dots können über eine Reichweite von bis zu 16 Kilometer Daten übertragen und empfangen. Anwendungen innerhalb gut abgeschirmter Gebäude erreichen drei bis sechs Kilometer Reichweite. Der programmierbare Conduit-Gateway verpackt und sendet Daten über das Mobilfunknetz hin zu der Verwaltungsplattform des Anwenders.

Auch Multitech hat ein solches System eines privaten Netzwerks mit Endknoten und einem Gateway zusammengestellt. Zusätzlich bereitet sich Microchip mit einem Produktportfolio auf den Industriebedarf vor und stellt einen Endknoten zur Verfügung. Obwohl diese Karte für öffentliche Netze entwickelt wurde, lässt sie sich aufgrund der Flexibilität auch für private Netzwerke einsetzen – und öffnet damit schon heute den Migrationspfad.

Ein Ökosystem für das IoT

Das IoT schickt sich an, einen vergleichbaren Siegeszug anzutreten, wie seinerzeit das Internet selbst. In dessen Anfangszeit kommunizierten lediglich wenige Hochschulen miteinander – heute ist es Alltag für jedermann. Eine ähnliche Entwicklung steht dem Internet der Dinge bevor. Private Netzwerke für das Internet of Things sind bereits realisiert. Die Entwicklung befindet sich auf dem Weg hin zur Umsetzung öffentlicher Netze, die die Kommunikation geringer Datenraten über Distanzen zu einem bezahlbaren Preis ermöglichen und globale Software-Plattformen aufweisen.

Hier kommt die Expertise der Telekommunikationsanbieter zum Tragen, wenn man Cloud- oder Hosting-Services mit all ihrer Funktionalität zur Datenvermittlung einsetzt. Dann wird die Vision vom globalen Internet of Things mit all seinen Vorteilen umgesetzt sein. Future Electronics hat die passenden Komponenten, das Know-how zur Umsetzung von Lösungen und besitzt darüber hinaus Partnerschaften mit namhaften Playern für das gesamte Ökosystem IoT.