Welches IoT-Protokoll eignet sich am besten für Ihre Design-Anforderungen?

August 2, 2017 Altium Designer

IoT-Protokoll

 

Die Entwicklung eines IoT-Produkts ist so ähnlich wie der Kauf eines neuen Laptops. Am Ende werden Sie viele Faktoren berücksichtigen müssen, wie zum Beispiel Geschwindigkeit, Kosten, Funktionalität und Interoperabilität. Einer oder zwei dieser Faktoren werden wahrscheinlich den höchsten Stellenwert einnehmen, wonach Sie Ihr Bestes geben werden, um den Rest zu optimieren. In meinem Fall habe ich ein paar Jahre lang ausschließlich Linux-Geräte verwendet. Wenn ich jedoch Microsoft-Dateien teilen musste, war die eingeschränkte Interoperabilität einfach schlimm. Schließlich gab ich nach und richtete meine Computer als Dual-Boot-Systeme mit Windows ein. 

 

Linux-Benutzeroberfläche

Egal, ob Sie auf Open-Source setzen möchten oder proprietäre Systeme bevorzugen – Interoperabilität ist der Schlüssel für die meisten Systeme.

 

Für IoT-Produkte (Internet of Things oder auch Internet der Dinge) hängt die Frage der Interoperabilität von dem von Ihnen genutzten Kommunikationsprotokoll ab. Grund hierfür ist, dass die meisten Produkte nicht mit Systemen kommunizieren können, die ein anderes Protokoll verwenden. Das von Ihnen gewählte Protokoll hat zudem Auswirkungen auf Ihre Hardware. So wird zum Beispiel die Übertragungsreichweite Ihre verfügbaren IoT-Module und Ihren Leistungsbedarf bestimmen sowie die Netzwerkkonfiguration für Ihr System gestalten.

 

Auswahl eines Protokolls

Es steht eine Vielzahl von Protokollen zur Auswahl. Jedes Jahr kommen neue Versionen hinzu und über Gruppen wird versucht, die bereits vorhandenen Optionen zu konsolidieren. Wie können Sie entscheiden, welche davon die richtige Lösung für Ihr Produkt ist?

 

Verschiedene Emoji

Die Suche nach einem universellen Standard schafft Chaos an sich – sogar bei Emoji!

 

Sollten Ihnen die Vielzahl der zur Verfügung stehenden Optionen Stress bereiten, möchte ich Ihnen einen Rat mit auf den Weg geben. Und ich wünschte, ich hätte dies vor meinem ersten IoT-Design lesen können: „Letztendlich gibt es keinen Standard, der so erfolgreich oder so maßgeblich ist, dass Sie einen Fehler begehen, wenn Sie ihn nicht verwenden.“ (Der hervorgehobene Text ist von mir.)

 

1.      Identifizieren Sie Ihre Prioritäten

In einer 2017 von IoT Central durchgeführten Umfrage zum Thema Entwickler-Trends wurde herausgefunden, dass Sicherheit und Interoperabilität die wichtigsten Kriterien im IoT-Bereich sind. Mit der Sicherheit sollten Sie sich auf jeder Ebene Ihres Produktdesigns befassen, vom physischen PCB bis zur Speicherung von Benutzerdaten. Mit der Interoperabilität ist es etwas einfacher. Indem Sie das richtige Protokoll wählen, können Sie die IoT-Ökosysteme maximieren, in denen sich Ihr Produkt bewegen kann.

 

2. Verstehen Sie Ihre Fachsprache

Da es so viele Akteure im Bereich des Internet der Dinge gibt, ist die Terminologie ein Durcheinander. Sogar die Unterscheidung eines Datenprotokolls von einem Kommunikationsprotokoll variiert je nach Branche und manchmal sogar von einem Unternehmen zum anderen. Hier finden Sie einen schönen Überblick. Bevor Sie sich jedoch auf irgendetwas festlegen, sollten Sie in jedem Fall Ihre Terminologie eingehend prüfen.

 

Die am häufigsten verwendeten Protokolle

Die Protokolle, die in der IoT-Welt den Rang von „Windows“ oder „Mac“ haben, existierten in der Regel bereits lange vor der Verbreitung des Internet der Dinge. Beispiele hierfür sind Bluetooth, WLAN, Mobilfunk und die Nahbereichs-Kommunikation (NFC). Die Vertrautheit mit diesen Technologien hat ihnen in puncto Interoperabilität eine solide Stellung beschert - dies jedoch auf Kosten einer fehlenden Optimierung für IoT-Anwendungen.

 

Bluetooth

Frequenz: 2,4 GHz, Frequenzsprungverfahren.

Reichweite: Mittel (≤100 Meter)

Cloud-Zugang: Einfach (seit Bluetooth 4.2 wird das IPv6-Routing unterstützt, sodass einige Module direkten Internetzugang haben können.)

Bluetooth wird in der Regel für sogenannte „Personal Area Networks“ verwendet. In den letzten Jahren konnte die Technologie eine erhöhte Akzeptanz verzeichnen, einschließlich verschiedener neuer Versionen und Nachrichtenformate.

Bluetooth Low Energy (BLE) ist speziell für das Internet der Dinge optimiert. Grundlage hierfür ist ein verbesserter Stromverbrauch durch die Anpassung des Nachrichtenformats, der Größe und Übertragungszeit zu Lasten der Reichweite (bis zu 50 m). Auch die Vernetzung wurde durch das Hinzufügen von CSR-Mesh verbessert.

 

Mobilfunk

Frequenz: GPRS , 2G, 3G , 4G je nach Region und Anbieter

Reichweite: Hohe Reichweite (15-35 km)

Cloud-Zugang: Einfach

Die Kommunikation über Mobilfunk bietet eine weiträumige Übertragung mit direktem Zugang zur Cloud, jedoch zu Lasten eines hohen Strombedarfs. Ich selbst hatte zudem Probleme mit mangelhafter Hardware und schlechter Netzwerk-Unterstützung. Von daher empfehle ich, dass Sie Ihre in Frage kommenden Anbieter einer gründlichen Prüfung unterziehen.

 

Nahbereichs-Kommunikation (NFC)

Frequenz: 13,56 MHz

Reichweite: Sehr gering (Zentimeter bis Meter)

Cloud-Zugang: Mittel – Sie benötigen eine Brücke von Ihren Tags oder Modulen zum Internet.

NFC ist im eigentlichen Sinne eine andere Kategorie von Kommunikationsstandards und steht in verschiedenen Ausprägungen zur Verfügung: aktiv, passiv und passiv batteriegestützt. Die größte Reichweite ist mit aktiven Geräten möglich, die kleinste mit passiven Systemen.

NFC wird als Bluetooth-Alternative betrachtet, die weniger Strom verbraucht und keine Kopplung erfordert. Einige NFC-Standards sind RFID-kompatibel. Damit ist die Technologie eine beliebte Wahl für Produkte zur Lagerbestandsverwaltung.

 

WLAN

Frequenz: 2,4 GHz

Reichweite: Mittel (40-90 m, abhängig von der Umgebung und dem Standard)

Cloud-Zugang: Einfach. Da es sich um einen IP-basierten Standard handelt, ist eine Kommunikation mit dem Internet möglich.

WLAN ist das beliebteste Protokoll auf Basis der IEEE-Norm 802.11. Es ist einfach anzuwenden, sehr kompatibel zu anderen Produkten und verfügt dazu über eine hohe Bandbreite. WLAN hat einen hohen Stromverbrauch. Jedoch soll der neueste Standard IEEE 802.11 AH den Strombedarf bei gleichzeitiger Erhöhung der Reichweite senken. Damit eignet sich die Technologie perfekt für IoT-Anwendungen.

Es gibt daneben auch Optionen wie WeMo, welches kein eigenständiges Protokoll ist, sondern sich auf bestehende WLAN-Netzwerke stützt.

Kommende Spitzenreiter im Kampf der Protokolle

Einige neuere Protokolle beginnen, die bisherigen Platzhirschen zu überholen. Speziell für IoT-Anwendungen entwickelt, verfügen diese Protokolle über klare Leistungsvorteile. In den nächsten Jahren dürften wir daher eine verstärkte Nutzung beobachten können.

 

Thread

Frequenz: 2,4 GHz

Reichweite: Gering (10-30 m)

Cloud-Zugang: Mittel – Man benötigt nach wie vor eine Brücke. Jedoch ist es mit 6LoWPAN einfacher, IPv6-Internetprotokolle zu nutzen.

Thread ist das Kind von Google, das von Nest aufgezogen wurde. Die Nutzung ist nicht in dem Maße angestiegen, wie es noch vor ein paar Jahren vorhergesagt wurde. Jedoch ist Thread fast immer unter den Top-Anwärtern, wenn es um intelligentes Wohnen (Smart Homes) geht. Thread kann auch für Zigbee-Funkeinheiten verwendet werden, um ihnen per IPv6-Unterstützung Zugang zur Cloud zu gewähren.

 

Zigbee

Frequenz: 915 MHz, 2,4 GHz

Reichweite: Gering (10-20 m)

Cloud-Zugang: Mittel – Brücke erforderlich

Als IoT-orientiertes Protokoll mit geringem Stromverbrauch kann Zigbee die AES-Verschlüsselung mit 128 Bit nutzen.

Zigbee wird von einer Reihe von Herstellern verwendet, hauptsächlich, weil es von verschiedenen Lieferanten bezogen werden kann. Zigbee ist auch gut in vermaschten Netzen etabliert. Jedoch sind mir hier traurige Geschichten von schlecht entworfenen vermaschten Netzen und fehlerhaften Produktintegrationen zu Ohren gekommen. Stellen Sie daher sicher, dass alle Ihre Zigbee-Profile zueinander passen und Ihr vermaschtes Netz robust ausgelegt ist.

 

Z-Wave

Frequenz: 908/916 MHz (U.S.) Da Z-Wave das ISM-Band nutzt, variiert die Frequenz je nach Land.

Reichweite: Mittel (100 m)

Cloud-Zugang: Mittel – Brücke erforderlich

Z-Wave und Zigbee liegen gleichauf. Z-Wave wird häufig gewählt, weil das verwendete ISM-Band nicht so überfüllt ist wie das 2,4 GHz Band und daher weniger anfällig für Störungen ist. Nachteilig ist, dass Z-Wave eine geringere Übertragungsrate aufweist und dass Geräte nicht außerhalb ihres „Home“-Bereichs eingesetzt werden können. Auch Z-Wave bietet die Möglichkeit der AES-Verschlüsselung mit 128 Bit.

Funkeinheiten sind nur von einem Lieferanten erhältlich und daher teurer.

 

Neue, interessante Protokolle

Es gibt eine fast unüberschaubare Menge an neuen Protokollen, die sich zu etablieren versuchen. Aus Sicht der Interoperabilität sind die meisten davon jedoch nicht ausgereift oder nicht weit genug verbreitet, um sie ernsthaft in Erwägung zu ziehen. Allerdings beginnen einige, echte Fortschritte zu machen.

 

AllJoyn

Frequenz: Variiert – AllJoyn überträgt per WLAN, Ethernet und seriell.

Reichweite: Variiert – AllJoyn funktioniert auf einer Reihe von Plattformen. Die Reichweite ist daher von der Hardware abhängig.

Cloud-Zugang: Mittel – erfordert eine Brücke oder kann als eigenständiges Netzwerk fungieren.

Ursprünglich von Qualcomm ins Leben gerufen, ist Alljoyn jetzt Open Source und läuft auf Windows, iOS, OSx, Ubuntu und Android-Plattformen. Es ist nicht weit verbreitet, jedoch einer der interessantesten Ansätze, die ich gesehen habe.

 

EnOcean

Frequenz: 902 MHz (USA und Kanada), 2,4 GHz

Reichweite: Mittel (30 m Reichweite innen, bis zu 300 m draußen)

Cloud-Zugang: Mittel – Brücke erforderlich

EnOcean ist ein Energy-Harvesting-Protokoll, das es drahtlosen Schnittstellen erlaubt, sich selbst mit Strom zu versorgen. Es arbeitet mit niedriger Frequenz und geringer Bandbreite, bietet jedoch einen einzigartigen Anwendungsfall, der zudem zu Zigbee und BLE kompatibel ist.

 

ANT

Frequenz: 2,4 GHz

Reichweite: Gering (100 m)

Cloud-Zugang: Brücke erforderlich

Das oft mit BLE verglichene ANT konzentriert sich auf Sensornetzwerke, in denen jeder Knoten Nachrichten übertragen und empfangen kann.

 

Industrie 4.0

Interoperabilität zwischen allen Komponenten eines IoT-Systems bedarf einer sorgfältigen Anforderungsverwaltung.

 

Weil es für ein IoT-Kommunikationsprotokoll so viele verfügbare Alternativen gibt, ist es wichtig, zunächst Ihre Produktanforderungen zu identifizieren. Ich appelliere nachdrücklich an Sie, die Interoperabilität Ihres Systems mit anderen Systemen im Ökosystem des Internet der Dinge zu bedenken. Zugegeben, dies ist eine besonders lästige Variable, da sich die Verhältnisse so rasant ändern. Gleichzeitig ist es aber eine wichtige Voraussetzung für viele IoT-Anwendungen. Ähnlich wie das Wissen, was ein neuer Laptop können sollte, wird es Ihnen das Verständnis der Anforderungen Ihres IoT-Systems erleichtern, die Fragen in puncto Design fundiert zu beantworten.

 

Der beste Weg zu einer einheitlichen und einfachen Anforderungsverwaltung ist die Verwendung guter Tools, wie der Designdaten-Verwaltung in Altium Vault. Durch das Nachverfolgen von Änderungen und die Prüfung von Komponenten mit Blick auf Ihre Anforderungen kann Vault helfen, die Interoperabilität innerhalb Ihres Systems und in Ihrem Produkt-Ökosystem zu gewährleisten. Kontaktieren Sie einen Vertriebsmitarbeiter von Altium, um noch heute loszulegen!

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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