Internet of Things 7

(Bild: Fotolia)

| von Mark Patrick

Über das Potenzial des Internet of Things (Internet der Dinge, IoT), neue Möglichkeiten zu eröffnen und die Effizienz gängiger Prozesse zu maximieren, wurde viel berichtet. Inzwischen redet man nicht mehr nur über Potenziale: Jetzt ist es an der Zeit darüber nachzudenken, wie eine IoT-Lösung implementiert und von ihr profitiert werden kann.

Das IoT beruht im Wesentlichen darauf, große Datenmengen von einer Vielzahl von Sensoren zu sammeln, die dann gespeichert und verarbeitet werden, um einen einzigartigen Einblick in jegliche Verfahren zu gewähren. Durch die Möglichkeiten des Internet of Things werden sich voraussichtlich unzählige neue Geschäftsmodelle auftun, von denen viele serviceorientiert sein werden.

Die eine Lösung gibt es nicht

Vom Sensor zur Cloud und über die Feedbackschleife zurück –  das IoT wird hauptsächlich im Bereich des traditionellen Embedded-Designer verbleiben. Wesentliches Merkmal des IoTs ist seine Vernetzung, wobei viele Systeme vollkommen drahtlos sein sollen. Daher ist eine der frühesten Hauptentscheidungen eines Ingenieurs, welche Drahtlosverfahren und -protokolle den besten Mix für die jeweils geforderten Eigenschaften bieten. IoT ist ein noch ziemlich neuer Trend. Deshalb haben viele Unternehmen Protokolle entwickelt, die um die Datenübertragung vom Sensor auf die Cloud wetteifern – und jedes hat eine andere Spezialisierung. Dieser Beitrag geht der Frage nach, welche Vor- und Nachteile die einzelnen Protokolle besitzen.

Eine Standardlösung für IoT-Systeme gibt es nicht – dafür sind die Anwendungen zu verschieden: Einige Sensoren senden nur kleine Datenmengen an die Cloud, entweder in regelmäßigen Intervallen oder bei Abfrage. Andere Sensoren übermitteln kontinuierlich große Datenmengen. Entsprechend unterschiedlich fallen auch die Anforderungen an die Drahtlosprotokolle aus. Die wichtigsten Protokolle im Überblick:

Das Thread-Protokoll

Bild 1: Die Infografik zeigt die Hauptkomponenten des Thread-Protokolls. Es zielt vor allem auf Haushaltsgeräte, Zugriffs- und Klimakontrolle, Energiemanagement, Beleuchtung, Schutz und Sicherheit.

Bild 1: Die Infografik zeigt die Hauptkomponenten des Thread-Protokolls. Es zielt vor allem auf Haushaltsgeräte, Zugriffs- und Klimakontrolle, Energiemanagement, Beleuchtung, Schutz und Sicherheit. Mouser

Als einer der Wegbereiter in Sachen Cloud nimmt Google in Bezug auf IoT-Geräte und -Applikationen eine Spitzenstellung ein. Im Jahr 2015 hat das Unternehmen Nest Labs akquiriert. Nest Labs hat das Thread-Protokoll (Bild 1) entwickelt, ein frühes Drahtlosprotokoll für IoT-Anwendungen, genauer gesagt zur Steuerung der smarten Thermostate und Rauchmelder von Nest. In diesen und in vielen anderen Bereichen hat sich das Thread-Protokoll inzwischen etabliert und ist weit verbreitet. Ermöglicht wurde das durch die Partner- und User-Communities, die von Google unterstützt und gepflegt werden.

Aufgrund dieser starken Gemeinschaft und der technischen Referenzen ist das Protokolls eine gute Wahl für viele IoT-Implementierung und ein starker Kandidat auf einem Gebiet, in dem auch Zigbee, Z-Wave und Bluetooth Low Energy (BLE) mitmischen. Ein Grund für den gegenwärtigen Erfolg von Thread dürfte die Tatsache sein, dass es nicht von Grund auf neu aufgebaut wurde – Google wählte den bereits etablierten IEEE 802.15.4-Standard als Basis.

Thread wurde entsprechend den Bedürfnissen der IoT-Designteams entwickelt. Es hat beispielsweise eine sehr niedrige Latenz, typischerweise um die 100 ms, und wurde konzipiert, um bis zu 300 Geräte in einem Netzwerk aufzunehmen. Um Datensicherheit zu gewährleisten, weist es eine AES 128-Bit-Verschlüsselung auf. Doch selbst mit all diesen speziell für IoT-Applikationen konzipierten Eigenschaften und der Unterstützung von Google gibt es keine Garantie, dass sich Thread durchsetzen wird.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bild 2: Das Bluetooth-Bauelement BCM20737 Wiced Smart von Broadcom.

Bild 2: Das Bluetooth-Bauelement BCM20737 Wiced Smart von Broadcom. Mouser

Für einfache IoT-Applikationen ist Bluetooth Low Energy (BLE) dem Thread-Protokoll womöglich am ähnlichsten. Gegenüber BLE hat Thread einen für die IoT-Implementierung wesentlichen Vorteil: Die Fähigkeit, das Netzwerk in ein vermaschtes Netzwerk zu implementieren, das sich – wenn nötig – selbst heilen kann. Um den Datentransfer aufrechtzuerhalten, müssen IoT-Netzwerke durchgehend verbunden sein. In den meisten Fällen ist also ein Netzwerk notwendig, das eine möglichst lange Betriebszeit erlaubt.

Trotz der fehlenden Selbstheilfähigkeit bei BLE erfreut sich das Protokoll bei vielen IoT-Anwendungen weiterhin großer Beliebtheit. Bluetooth hat sich seit der Einführung 1994 zunehmend weiterentwickelt. Mit jeder neuen Version wurden Verbesserungen, zusätzliche Features und Leistungssteigerungen eingeführt, wodurch es auch für den heutigen Markt relevant bleibt. Teilnehmer der Bluetooth Special Interest Group (SIG) verbessern die IoT-Leistungsfähigkeit ständig. Zu den SIG-Mitgliedern gehören unter anderem Industrieschwergewichte wie Broadcom und Qualcomm.

Ein Beispiel für ein aktuelles, hochintegriertes BLE-System-on-Chip (SoC) zur Umsetzung von IoT-Lösungen ist das Bluetooth-Bauelement BCM20737 Wiced Smart von Broadcom (Bild 2). Neben der BLE-Funktionalität für IoT bietet das SoC zusätzliche Sicherheitsmerkmale wie RSA-4000-bit-Ver- und Entschlüsselung. Die Low-Power-iBeacon-Technologie erlaubt es dem Chip, in vielen Situationen passiv zu arbeiten. Außerdem unterstützt es das kabellose Ladesystem A4WP Rezence.

Wie bereits erwähnt, bietet Bluetooth derzeit keine Selbstheil- oder Mesh-Netzwerkfähigkeit. In naher Zukunft soll sich das durch den Arbeitskreis Bluetooth Smart Mesh ändern. Dieser ist gerade dabei, eine Netzwerkarchitektur zu entwickeln, die Bluetooth Mesh-Netzwerkfähigkeit standardmäßig unterstützt. Die Initiative wird bereits von mehr als 80 Unternehmen im Arbeitskreis unterstützt, was die hohe Nachfrage nach Mesh-Support deutlich macht.

Weitere IoT-Drahtlosprotokolle

Bild 3: Die Wachstumsprognose der WLAN-fähigen Geräte verdeutlicht das exponentielle Wachstum des IoT.

Bild 3: Die Wachstumsprognose der WLAN-fähigen Geräte verdeutlicht das exponentielle Wachstum des IoT. BI Intelligence

Selbstverständlich sind BLE und Thread nicht die einzigen konkurrierenden Protokolle in diesem Bereich. Bild 3 zeigt die Wachstumsprognose für das Internet of Things: Mit den potenziell Milliarden von Sensoren, die Informationen an das Internet übertragen, bietet der Markt anderen Protokollen reichlich Chancen, eigene Nischen zu erschließen.

Diese anderen Protokolle haben mehrere Eigenschaften gemeinsam: eingeschränkte Prozessorleistung, geringer Energieverbrauch, niedrige Übertragungsraten und integrierte Verschlüsselung. Konkret geht es um die folgenden Protokolle:

Zigbee

Zigbee 3.0 wird von etwa 400 Anbietern unterstützt, und es sprechen einige überzeugende Argumente für dessen Installation in IoT-Anwendungen. Das Protokoll ermöglicht wie Thread ein vermaschtes Netzwerk, kann aber deutlich mehr Geräte unterstützen als der von Google unterstützte Standard. Zigbee 3.0 wird bei 2,4 GHz betrieben, jeder Knotenpunkt kann Daten mit bis zu 250 kbit/s bei einer Reichweite von bis zu 30 Metern übertragen. Das Protokoll unterstützt auch IPv6 und weist eine AES-Verschlüsselung mit 128 bit auf. Ein großer Vorteil für Entwickler ist, dass Zigbee 3.0 ein breites Spektrum an Profilen unterstützt, die für vorige Versionen konzipiert wurden.

Zigbee Pro

Darüber hinaus gibt es auch Zigbee-Varianten. Hier ist vor allem Zigbee Pro zu nennen, das von Grund auf für IoT-Applikationen entwickelt wurde. Für höhere Flexibilität lässt sich Zigbee Pro sowohl im 2,4-GHz-Band als auch in den unlizenzierten ISM-Bändern zwischen 800 MHz und 900 MHz betreiben. Zigbee Pro zielt auf Umgebungen mit elektrischen Störungen ab und nutzt eine Bandspreizmodulation über 16 Kanäle, um mehr Immunität vor Störeinflüssen zu bieten.

Zigbee Pro eignet sich auch hervorragend für Sensorcluster in Bereichen, in denen eine Batteriestromversorgung nicht sinnvoll ist. Es verbraucht extrem wenig Strom, das heißt es kann allein mit der Energie betrieben werden, die es über Energy-Harvesting von der Umgebung aufnimmt.

Z-Wave

Z-Wave ist ein Protokoll für die ISM-Frequenzbänder zwischen 800 MHz und 900 MHz. Das Protokoll wird von etwa 375 Organisationen gefördert. Ein Netzwerk kann bis zu 232 Knotenpunkte mit einer Übertragungsrate von 100 kbit/s und einer Reichweite von zirka 30 Metern unterstützen.

Alljoyn

Die zwei nächsten Protokolle in diesem Überblick wurden beide von der Linux Foundation entwickelt. Zum einen gibt es das Opensource-Programmiergerüst Alljoyn der Allseen Alliance. Es soll maximale Flexibilität für IoT-Designs ermöglichen, indem es die Applikationsentwicklung für verschiedene Marken, Kategorien, Transportmedien und Betriebssysteme vereinfacht. Die Applikationen müssen nicht einmal eine Cloud oder das Internet nutzen, obwohl das Alljoyn-Gerüst so konzipiert wurde, dass es beides unterstützen kann. Alljoyn funktioniert auch mit anderen Kommunikationsstandards wie WLAN, Ethernet oder einer Powerline-Übertragung über das Stromnetz. Um so flexibel wie möglich zu bleiben, unterstützt das Protokoll die meisten IoT-fähigen Betriebssystsemen, darunter Windows, MAC-OS, RTOS, Arduino, Android und natürlich Linux.

Iotivity

Die zweite IoT-Initiative der Linux Foundation ist Iotivity, das vor allem auf Interoperabilität fokussiert ist. Ziel des Projekts ist die Gewährleistung sicherer und zuverlässiger Verbindungen von IoT-Geräten zum Internet und zu anderen Geräten. Um das zu erreichen, stellt Iotivity ein Kommunikationsgerüst für drahtlose Netzwerkfähigkeit zur Verfügung und regelt den Informationsfluss aller möglichen IoT-Geräte, egal welches Betriebssystem oder welchen Formfaktor sie nutzen.

Welches IoT-Drahtlosprotokoll wird sich durchsetzen?

Bei den Drahtlosprotokollen für das IoT hat das Rennen um den Spitzenplatz begonnen. Mit einem Industriegiganten wie Google hinter sich gilt Thread als Favorit der ersten Stunde. Doch es gibt technisch interessante Alternativen, welche die Herausforderungen bei der Vernetzung auf ganz unterschiedliche Weise angehen. Zudem besteht auch die Möglichkeit, dass Cloud-Provider ein oder mehrere rivalisierende Protokolle übernehmen und promoten.

Doch auch ohne die Unterstützung von Cloud-Providern sollte die voraussichtliche Marktgröße für genügend Spielraum für unterschiedliche Protokolle und Applikationen sorgen. Der Markt blickt den nächsten Jahren also mit Spannung entgegen. Erst dann wird sich herauskristallisieren, welches IoT-Drahtlosprotokoll als Sieger aus diesem Rennen hervorgehen wird.

 

Kooperation von Thread und Zigbee

Schon 2015 haben die Zigbee Alliance und die Thread Group bekanntgegeben, künftig zusammenarbeiten zu wollen. Ziel der Kooperation ist, dass nach dem Zigbee-Standard funkende Geräte in Thread-Netzwerken zum Einsatz kommen können. Auf der CES Anfang des Jahres in Las Vegas haben nun mehrere Unternehmen wie beispielsweise NXP, Osram und Silicon Labs entsprechende Prototypen präsentiert. Die Zigbee Alliance hat darüber hinaus mit „Dotdot“ eine nach eigenen Angaben universelle IoT-Sprache vorgestellt, die eine Kommunikation zwischen beliebigen Geräten unabhängig vom Vernetzungsprotokoll ermöglichen soll. Bei Dotdot findet die Kommunikation auf dem Application Layer statt, um eine Verständigung unabhängig vom verwendeten Wireless-Protokoll zu ermöglichen. Mit dem Zusammenschluss der Allseen Alliance (Qualcomm, Microsoft) und dem Open Interoperability Consortium (Intel, Samsung) zur Open Connectivity Foundation (OCF) im Oktober 2016 gibt es allerdings auch noch ein weiteres großes Konsortium, das eine Vereinheitlichung der IoT-Kommunikation anstrebt. (ku)

 

Eck-DATEN

Eine Standardlösung für IoT-Systeme gibt bislang es nicht – dafür sind die Anwendungen auch zu verschieden: Einige Sensoren senden nur sporadisch kleine Datenmengen an die Cloud, andere Sensoren übermitteln kontinuierlich eine große Zahl von Daten. Entsprechend unterschiedlich fallen auch die Anforderungen an die Drahtlosprotokolle aus. Eine universelle Lösung für die IoT-Vernetzung zeichnet sich trotz entsprechender Bemühungen großer Unternehmen derzeit noch nicht ab.

Mark Patrick

(Bild: Mouser)
Marketing Manager bei Mouser Electronics

(ku)

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