Vernetzte Sensoren sind die Nervenbahnen im Internet der Dinge. Doch was für ein Funknetzwerk eignet sich für bestimmte IoT-Anwendungen? Die Vor- und Nachteile im Überblick.
Egal, ob für die Gebäudeautomatisierung, das Smart Home oder für ein Funknetzwerk im industriellen Umfeld, um Produktionsabläufe zu steuern: Hier entscheidet die Funktechnik. Doch neben der drahtlosen Übertragung müssen dezentral über Sensoren Daten gesammelt werden. Die erfassten Daten müssen dann an eine zentrale Stelle geleitet werden – sicher, schnell und energieeffizient.
Vernetzte Sensoren tragen dazu bei, eine Vielzahl von Geräten und Sensoren sicher miteinander zu vernetzen. Sie helfen bei der Produktion kleinster Bauteile, messen die Auslastung oder optimieren die Materialversorgung. Neu hinzugekommen ist die Vernetzung von Produktionsanlagen und Maschinen über Funk.
Funknetze lassen sich einfach installieren
Während bisher die sog. „Nodes“ (Netzwerkelemente) über ein Bussystem fest verkabelt waren, gewinnen Funknetzwerke immer mehr an Bedeutung. Die Vorteile liegen auf der Hand: Einfachere Installation und flexible Einsatzmöglichkeiten von Sensoren – selbst an schwer zugänglichen Stellen. Netzwerke der Gebäude- und Heimautomatisierung umfassen Geräte, die unterschiedlich mit Energie versorgt werden – per Energy-Harvesting, Batterie oder Netzteil. Leuchten, Entertainment-Systeme und Thermostate werden in der Regel vom Netz versorgt, doch das bedeutet nicht, dass die Stromaufnahme außer Acht gelassen werden kann. Sind die Geräte Teil der Infrastruktur und werden sie mit Wechselstrom betrieben, müssen sie aufgrund neuer staatlicher Vorschriften, welche die Energieaufnahme im Bereitschaftsbetrieb einschränken, sorgfältig verwaltet werden. Batterien versorgen Sensoren und Fernsteuerungen mit Energie, was bedeutet, dass ein vermaschtes Netzwerk, hinsichtlich der Stromversorgung der Knoten, zwei grundlegend verschiedene Anwendungsfälle beherrschen muss.
Funknetzwerke in der Planungsphase optimieren
Je nach Anforderung und Anwendungsfall muss ein Funknetzwerk bereits in der Konzeptionsphase auf einen oder mehrere der maßgeblichen Faktoren optimiert werden. In der Praxis ist es nämlich nicht möglich, alle Faktoren zu maximieren.
- Datendurchsatz: Datenmenge, die durch ein Netzwerk fließt.
- Latenzzeit: Zeit, die ein Datenpaket vom Startpunkt bis zum Zielpunkt benötigt.
- Zuverlässigkeit: Störanfälligkeit des Netzwerks, bei Ausfall eines Teilnehmers (Nodes) oder Knotenpunktes.
- Energiebedarf: Energie, die wird für den Betrieb des Netzwerkes und der einzelnen Teilnehmer (Nodes) benötigt wird.
- Funkreichweite: Maximale Distanz zwischen den einzelnen Teilnehmern (Nodes).
- Frequenz: Mögliche Frequenzbänder, die für den Betrieb eines Funknetzwerks genutzt werden.
Funknetzwerktypen
- Stern
| Vorteile | Nachteile |
| geringer Energieverbrauch hoher Datendurchsatz geringe Latenzzeit gut bewährt | geringe Reichweite (die Netzelemente müssen stets in Funkreichweite des Masters sein) |
- Vollvermascht
| Vorteile | Nachteile |
| hohe Zuverlässigkeit hoher Durchsatz resistent gegenüber Ausfall einzelner Verbindungen (jedes Element ist mehrfach vernetzt) geringe Latenzzeiten | komplexe Netzwerkstruktur hohe Anforderungen an Hard- und Software hoher Ressourcen- und Energiebedarf |
- Vermascht
| Vorteile | Nachteile |
| hoch Zuverlässig, Kompromiss bei Sicherheit und Latenzzeiten mittlerer Ressourcen- und Energiebedarf resistent gegenüber Ausfall einzelner Verbindungen (jedes Element ist mehrfach vernetzt) Entfernungen gut überbrückbar (Abzweige in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen möglich) | erhöhte Latenzzeiten weniger Nodes auf Low-Power optimierbar (viele Nodes müssen bei einer Strukturänderung zusätzlich als Relay Nodes eingesetzt werden) |
- Baum
| Vorteile | Nachteile |
| Kompromiss bei Sicherheit und Latenzzeiten mittlerer Ressourcen- und Energiebedarf Entfernungen gut überbrückbar (Abzweige in verschiedene Räume oder zu verschiedenen Anlagen möglich) | erhöhte Latenzzeiten anfällig gegenüber Ausfall einzelner Netzwerk- Elemente (Unterbrechung der Kette) |
- Linie
| Vorteile | Nachteile |
| einfache Netzwerkstruktur geringer Ressourcen- und Energiebedarf große Entfernungen leicht überbrückbar | hohe Latenzzeiten sehr Anfällig gegenüber Ausfall einzelner Netzwerk-Elemente (Unterbrechung der Kette) |
Welche Funktechnik eignet sich für welches Projekt?
Bereits bei der Konstruktion von IoT-Geräten, müssen Entwickler beachten, wie und in welcher Umgebung die Endprodukte später verwendet werden. Dafür müssen die aufgeführten limitierenden Faktoren des Netzwerks entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall berücksichtigt werden.
Bei der Betriebsart Bluetooth Mesh werden mehrere Bluetooth-Geräte zu einem vermaschten Funknetzwerk zusammengeschlossen, in dem alle oder mehrere Knoten untereinander kommunizieren können. Falls sich nicht alle Teilnehmer direkt in Funkreichweite befinden, lässt sich die Reichweite über sog. „Relay Nodes“ (Weiterleitungen) steigern. Bluetooth Mesh ergänzt Bluetooth LE (Low Energy), bei dem kurze Datenpakete möglichst energiesparend übertragen werden.
Thread ist eine auf IPv6 basierende Mesh-Netzwerktechnik mit geringem Stromverbrauch. Hunderte Geräte können über ein Thread-Netzwerk untereinander vernetzt werden und alle Geräte sind über ihre IPv6-Adresse und eine kurze Heimnetzadresse adressierbar.
Die Bluetooth- und Thread-Technik etablieren sich zunehmend in der der Gebäude- und Heimautomation und dem Internet der Dinge als Konkurrenz zu ZigBee und Z-Wave. Ein großer Vorteil von Bluetooth und Thread ist, dass es sich um herstellerunabhängige Standards mit vielseitigen Anwendungsszenarien handelt.
Bluetooth, ZigBee und Thread arbeiten im 2,4-GHz-Band. Diese Frequenz versendet beliebig viele Datenpakete. Aufgrund der geringen Reichweiten (max. 100 Meter) sind 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 Sub-GHz-Band; also mit Frequenzen unterhalb des 1-GHz-Spektrums. Die Netzwerke bieten eine höhere Reichweite (bis zu mehreren 100 Metern), allerdings mit einer erheblich geringeren Bandbreite.
04.02.2022
