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Vernetzte Sensoren: Die Nervenbahnen im Internet der Dinge

Entwickler und Planer von IoT-Anwendungen kommen heute nicht mehr um die Frage nach der “richtigen” Funktechnik für ihre IoT-Geräte herum. Ganz gleich, ob es sich um eine intelligente Gebäudeautomatisierung im Smart Home Bereich oder um ein Funknetzwerk im industriellen Umfeld zur Steuerung von Produktionsabläufen handelt. In jedem Fall werden Daten dezentral von Sensoren erfasst und an eine zentrale Stelle gesendet - und dies möglichst energieeffizient, sicher und schnell. 

Viele der heutigen IoT-Geräte oder vernetzten Produktionsanlagen waren bis vor wenigen Jahren komplett “offline”. Ein Kühlschrank, eine Spritzgussmaschine oder ein Heizungsventil wurden eben nicht per Funk mit einer zentralen Steuerstelle verbunden. Doch die Erwartungen von Produzenten und Verbraucher haben sich grundlegend geändert. Heute ist es aus Gründen der Wettbewerbsfähigkeit oder auch wegen eines gestiegenen Sicherheitsanspruchs notwendig, eine Vielzahl von Geräten und Sensoren miteinander zu vernetzen.

Einsatzszenarien für vernetzte Sensoren

Vernetzte Sensoren in der industriellen Produktion

Im Rahmen von industriellen Linienfertigungen werden vernetzte Sensoren schon seit langem und in großem Maße eingesetzt. Egal, ob bei der Produktion von Automobilen oder der Herstellung von kleinsten Elektronikbauteilen: Eine Vielzahl von Sensoren sind im Laufe des Produktionsvorgangs zum Beispiel beteiligt an der Qualitätskontrolle, der Messung von Auslastungen oder an einer optimierten Materialversorgung. Eher neu ist hingegen die Vernetzung der Produktionsanlagen und Maschinen per Funknetzwerk. Während bisher die Netzwerkelemente (Nodes) mittels eines Bussystems “fest verkabelt” wurden, setzen sich hier mehr und mehr auch Funknetzwerke durch. Die Vorteile liegen auf der Hand: einfachere Installation und flexible Einsatzmöglichkeiten von Sensoren - auch an schlecht zugänglichen Stellen.

Vernetzte Sensoren beim Gebäudemanagement

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. Geräte, die Teil der Infrastruktur sind und mit Wechselstrom betrieben werden, müssen aufgrund neuer staatlicher Vorschriften, die die Energieaufnahme im Bereitschaftsbetrieb einschränken, sorgfältig verwaltet werden.

Batterien versorgen in der Regel Sensoren und Fernsteuerungen mit Strom. Das bedeutet, dass ein vermaschtes Netzwerk (“Mesh Network”), hinsichtlich der Stromversorgung der Knoten, zwei grundlegend verschiedene Anwendungsfälle beherrschen muss.

Typen von Funknetzwerken

In der industrial IoT-Welt kommen hauptsächlich die folgenden Netzwerk-Typen zum Einsatz. Welcher Netzwerkaufbau dabei die beste Wahl darstellt hängt von mehreren Faktoren ab.

02 12 2020 funknetzwerke

Stern

Stern

Stern

Vorteile:

  • verhältnismäßig geringer Energieverbrauch
  • hoher Datendurchsatz
  • geringe Latenzzeit
  • seit Langem gut bewährte Lösung

Nachteile:

  • relativ geringe Reichweite. Netzelemente müssen sich stets in Funkreichweite des “Masters” befinden. Dies wird besonder problematish, wenn der “Master” räumlich nicht in der Mitte angeordnet werden kann.

Vollvermascht

Vollvermascht

Vollvermascht

Vorteile:

  • sehr hohe Zuverlässigkeit
  • hoher Durchsatz möglich
  • Resistent gegenüber dem Ausfall einzelner Verbindungen, da jedes Element mehrfach vernetzt ist
  • geringe Latenzzeiten

Nachteile:

  • hoher Ressourcen- und Energiebedarf
  • Komplexe Netzwerkstruktur, daher hohe Anforderungen Hard- und Software.

Vermascht

Vermascht

Vermascht

Vorteile:

  • hohe Zuverlässigkeit
  • Resistent gegenüber dem Ausfall einzelner Verbindungen, da jedes Element mehrfach vernetzt ist → Ausfall eines Elements sorgt nicht für Verlust von mehreren Elementen
  • Guter Kompromiss in Sachen Energieverbrauch, Sicherheit und Latenzzeiten
  • Entfernungen können gut überbrückt werden
  • “Abzweige” in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen können gut realisiert werden

Nachteile:

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

Baum

Baum

Baum

Vorteile:

  • Guter Kompromiss in Sachen Energieverbrauch, Sicherheit und Latenzzeiten
  • mittlerer Energieverbrauch
  • Entfernungen können gut überbrückt werden
  • “Abzweige” in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen können gut realisiert werden
  • einzelne Elemente können auf ihren Anwendungsfall sehr gut optimiert werden.

Nachteile:

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

Linie

Linie

Linie

Vorteile:

  • Einfacher und Ressourcenschonender Netzwerkaufbau
  • geringer Energieverbrauch
  • Große Entfernungen können leicht überbrückt werden

Nachteile:

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


Leistungsmerkmale: Optimierung von Funknetzwerken bereits in der Planungsphase

Die folgenden Leisungsmerkmale sind für die Beurteilung eines Funknetzwerkes von Bedeutung. Je nach Anforderung und Anwendungsfall muss ein Funknetzwerk bereits in der Konzeptphase auf eines oder mehrere der folgenden Faktoren hin optimiert werden. In der Praxis lassen sich nicht alle Faktoren maximieren. Das Ziel “maximale Zuverlässigkeit” widerspricht zum Beispiel dem Ziel “minimaler 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, z.B. bei Ausfall eines Teilnehmers (Nodes) oder Knotenpunktes
  • Energiebedarf
    Wie viel Energie wird für den Betrieb des Netzwerkes und dessen einzelner Nodes benötigt?
    Die Leistungsaufnahme bzw. 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 u.U. Einfluss auf technischen und Nationalen regulativen Vorgaben

Bluetooth Mesh, ZigBee, Thread oder Z-Wave?
Welche Funktechnik ist die beste für mein IoT-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, kann kein passendes IoT-System entstehen/entworfen werden.

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

02 12 2020 relay weiterleitungen

Thread ist eine auf IPv6 basierende Mesh-Netzwerktechnologie, die sich vor allem durch einen sehr geringen Stromverbrauch auszeichnet. Über ein Thread-Netzwerk können leicht mehrere hundert Geräte untereinander vernetzt werden. Alle Geräte sind über ihre IPv6-Adresse und eine kurze Heimnetzadresse adressierbar.

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

Bluetooth, ZigBee, Thread arbeiten im Frequenzbereich von 2,4 GHz. In diesem Frequenzbereich können viele und beliebige Datenpakete versendet werden. Aufgrund der geringen Reichweiten von deutlich unter 100 Metern gibt es hier 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 sogenannten Sub-GHz-Bereich, also mit Frequenzen unterhalb von 1 GHz. Der Vorteil liegt dabei bei einer deutlich größeren Reichweite (bis zu mehreren 100 Metern). Nachteilig wirkt sich dagegen eine deutlich geringere Bandbreite aus. Der Grund dafür liegt in verhältnismäßig restriktiveren technischen und nationalen regulativen Vorgaben, die es zu beachten gilt.

Mit Systemen wie LoRaWAN oder SigFox (Reichweite bis zu mehreren Km) lassen sich besonders energieeffiziente und reichweitenstarke Netzwerke realisieren. Mehr dazu finden Sie im Artikel: Industrial internet of Things (iIoT) mit Hilfe von LPWAN-Technologie...


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Embedded Systems

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Entwicklung und Anwendungsbeispiele

Was ist ein Embedded System?

Embedded Systems (oder auf Deutsch: eingebettete Systeme) sind kleine Computersysteme, die als eine Art “Mini-Computer” innerhalb einer größeren Anwendung eingebettet sind und dort speziell an die Erledigung einer anwendungsspezifische Aufgaben “im Hintergrund” angepasst sind.

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