Ob es sich dabei um einen Leckage-Sensor für die Hausautomatisierung, ein funkbasierendes Sicherheitssystem oder eine industrielle Prozesssteuerung handelt: Die Gefahr von Kommunikationsausfällen kann die Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit der Anwendung erheblich beeinträchtigen. Zum Glück gibt es heute IoT-Funklösungen, die auf maximale Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ausgelegt sind. Diese Lösungen zeichnen sich durch eine robuste Vernetzung, niedrigen Stromverbrauch sowie Sub-Gigahertz-Frequenzen aus und eignen sich damit ideal, um eine unterbrochene Kommunikation zu verhindern.

Selbstheilungsfunktion mit IEEE 802.15.4

Bild 1: Jeder Knoten in diesem Mesh-Netzwerk hat einen Arbeitsbereich von 10 m. Durch die Vernetzung erhöht sich die Reichweite des Netzwerkes auf 30 m.

Bild 1: Jeder Knoten in diesem Mesh-Netzwerk hat einen Arbeitsbereich von 10 m. Durch die Vernetzung erhöht sich die Reichweite des Netzwerkes auf 30 m. Microchip

Funktechniken wie Zigbee, Wireless-Hart, 6LoWPAN und Miwi sind hinlänglich bekannt. Sie basieren alle auf dem Standard IEEE 802.15.4. Wesentliches Merkmal dieses Standards ist die Möglichkeit Mesh-Netzwerke zu bilden, die Knoten mit getrennten Funktionen enthalten. In diesen Netzwerken gibt es Geräte mit reduzierter Funktion (RFD; Reduced Function Devices), Geräte mit voller Funktion (FFD; Full Function Devices) und Koordinatoren. Die RFDs und FFDs stellen eine Verbindung zueinander her, während die endgültige Verbindung mit dem Koordinator oder Gateway hergestellt wird.

Mesh-Netzwerke weisen mehrere wichtige Eigenschaften für eine zuverlässige Kommunikation auf – insbesondere eine größere Reichweite, Rerouting (Umleitung) und Beständigkeit (Persistenz). Die Reichweite eines einzelnen Funksystems wird über Mesh-Netze erweitert, indem die Kommunikation von Knoten zu Knoten ermöglicht wird. In Bild 1 hat jeder Knoten einen Arbeitsbereich von 10 m. Durch die Vernetzung (Meshing) erhöht sich die Reichweite des Netzwerks jedoch auf 30 m. Dies erhöht die Kommunikationssicherheit, da sichergestellt wird, dass sich die Knoten in Reichweite befinden und die Netzwerke erhalten bleiben.

Ein zweites Merkmal von Mesh-Netzen ist das Umleiten oder die Selbstheilung. Viele Menschen haben bei einer Autofahrt bereits ein unerwartetes Ereignis erlebt – vielleicht ist eine Autobahnausfahrt wegen Reparaturarbeiten gesperrt oder eine unbekannte Straße führt in die falsche Richtung. In diesen Fällen wendet sich der Fahrer in der Regel an die Straßenkarten-App seines Mobiltelefons, die meist eine alternative Route anbietet. Das ist die Idee hinter dem Rerouting in 802.15.4-Mesh-Netzen.

Bild 2a: Das 2,4-GHz-Frequenzband bietet zwar hohe Datenübertragungsraten, zeigt aber Schwächen hinsichtlich der Durchdringung in Gebäuden.

Bild 2a: Das 2,4-GHz-Frequenzband bietet zwar hohe Datenübertragungsraten, zeigt aber Schwächen hinsichtlich der Durchdringung in Gebäuden. Microchip

Bild 2b: Die nichtlizensierten 800/900-MHz-Bänder beiten eine hervorragende Durchdringungsfähigkeit in Gebäuden, bei niedrigeren Datenraten.

Bild 2b: Die nichtlizensierten 800/900-MHz-Bänder bieten eine hervorragende Durchdringung in Gebäuden bei niedrigeren Datenraten. Microchip

In Funknetzen treten viele Probleme auf, zum Beispiel leere Batterien, vorübergehende Störungen durch menschliche Bewegungen, dauerhafte Störungen durch Änderungen in der Umgebung, neue Knoten, die in das Netzwerk eingeführt werden und vieles mehr. Wenn diese Störungen auftreten, können sich Mesh-Netzwerke auf Basis des 802.15.4-Standards selbst heilen. Anders gesagt: die Verbindung vom Knoten zum Koordinator lässt sich über ein anderes FFD umleiten, das einen optimaleren Pfad bietet. Diese Funktion verbessert die Stärke des Netzwerks und damit die Zuverlässigkeit der Kommunikation erheblich.

Ein dritter Vorteil von Knoten in 802.15.4-Mesh-Netzwerken ist die Beständigkeit/Persistenz. Im Gegensatz zu Netzwerktechniken wie Ethernet oder WLAN, die nicht kommunizierende Knoten im Netzwerk auslagern, verfügen 802.15.4-Netzwerke über eine permanente Mitgliedschaft, sodass Knoten über einen längeren Zeitraum nicht mehr kommunizieren. Ein Knoten kann eine Woche lang im Sleep-Modus verbleiben und sich per Aktivierung sofort dem Netzwerk anschließen und Daten übertragen – in nur 30 ms. Dies ist ein enormer Vorteil für den Stromverbrauch. Sende- und Polling-Funktionen verbrauchen den größten Teil der Energie in IoT-Geräten. Daher reduziert diese Funktion das Verhältnis zwischen Funk- und Sleep-Aktivität erheblich.

Frequenz und Zuverlässigkeit

Es gibt eine umgekehrte Beziehung zwischen der Funkträgerfrequenz und deren Fähigkeit, feste Objekte in der unmittelbaren Umgebung zu durchdringen. Die heute am häufigsten genutzte Frequenz ist 2,4 GHz. Sie wird in Häusern für WLAN, Bluetooth und Mikrowellen verwendet. Dieses Frequenzband ist für eine hohe Datenübertragungsrate bekannt, aber aufgrund der relativ schlechten Durchdringung über niedrigere Frequenzbänder kann es zu Versorgungsproblemen im gesamten Haus kommen. Die nicht lizenzierten 800/900-MHz-Bänder bieten jedoch eine hervorragende Durchdringung bei niedrigeren Datenraten, wenn sie in Umgebungen mit festen Objekten wie Wänden, Bäumen, Möbeln und Türen zum Einsatz kommen. Daher bieten Sub-Gigahertz-Frequenzen eine überlegene Leistungsfähigkeit beim Aufbau eines Netzwerks, das in rauen Umgebungen oder geschlossenen Räumen gut funktionieren soll. Bild 2 veranschaulicht die leistungsstarke Kombination von Sub-Gigahertz-Frequenzen mit der Mesh-Netzwerktechnik.

Durch die Kombination der hervorragenden Durchdringung von Sub-Gigahertz mit 802.15.4-Mesh-Netzen wird das Kommunikationsnetzwerk klar und deutlich. Das Signal wird über den besten Pfad an den Koordinator geleitet, indem es Barrieren durchdringt, ein Ausgleich von Änderungen in der Umgebung stattfindet und die Sendeleistung beibehalten wird, bis Daten gesendet werden müssen. Diese Kombination ergibt ein robustes, zuverlässiges und langlebiges Kommunikationsnetz.

Aufbau eines robusten IoT

Heute basieren die meisten 802.15.4-Funksysteme auf 2,4 GHz und nutzen nur einige der zuvor genannten Vorteile. Bausteine wie die Mikrocontroller (MCUs) der Serie ATSAMR30 von Microchip sind in IEEE-802.15.4-konforme Funksysteme für die Sub-1-GHz-Frequenzbänder integrierbar. Ein kleines Modul lässt sich einfach in Anwendungen integrieren, die eine Zulassung für Nordamerika, Europa und China bieten. Mit 256 KByte Flash können die ATSAMR30-MCUs problemlos Mesh-Stacks wie Miwi ausführen und gleichzeitig den Anwendungscode für Sicherheits-, Hausautomatisierungs-, Beleuchtungs- und Messanwendungen verarbeiten.