Internet of Things

Die treibende Kraft hinter dem Internet der Dinge – ein Überblick

Plötzlich wird die Welt vernetzt. Trillionen von Sensoren vernetzen sich mit Milliarden von Controllern und Millionen von Gateways – die ihre Daten weltweit über das Internet übertragen.

Ermöglicht wird das Internet der Dinge (a.d. Engl.: Internet of Things, IoT) durch zahlreiche verschiedene Komponenten, von WLAN-Protokollen mit geringem Energiebedarf bis hin zu leistungsstarken und energieeffizienten Mikrocontrollern. Dabei erfordert die Implementierung solcher Netzwerke mehrere Schritte, von den Sensorknoten über die Gateways bis zu den Datenservern zur Verarbeitung all dieser großen Datenmengen – bei rundum gewährleisteter Sicherheit. Ziel der gesamten Unternehmung ist die Vernetzung von Geräten und Beleuchtung in Haushalten, von Strom- und Wassernetzwerken bis hin zu Autos und ähnlichen Transportmitteln für eine intelligentere, reaktionsschnellere und besser steuerbare Welt.

Herzstück dieser Entwicklung sind energieeffiziente Wireless-Links und Mikrocontroller. Die neuesten Gecko Mikrocontroller von Silicon Labs, zum Beispiel, verwenden speziell entwickelte Low-Power-Modes: Dabei können die Controller direkt auf Signale der Sensoren warten, bis sie ihren Betrieb aufnehmen, die Daten weiterleiten und wieder herunterfahren. Ausgelegt sind diese Geräte auf intelligente Energielösungen mit Batterien, die mit einer Leistung von 3,6 V zehn bis zu zwanzig Jahre lang verwendet können, sowie auf Sensor-Netzwerke. Dabei wird der Stromverbrauch dieser Geräte derart niedrig gehalten, dass sie inzwischen von Solarzellen – und sogar von der HF- oder Wärmeenergie aus der Umgebung – mit Energie versorgt werden können, sodass ab sofort keinerlei Batterien oder Stromleitungen mehr erforderlich sind.

Doch auch hier werden Anschlüsse mit niedrigem Energiebedarf benötigt, während zudem verschiedene Protokolle für IoT verwendet werden. Das 2,4 GHz ZigBee Mesh-Netzwerk wird weitläufig für Machine-zu-Machine-Anwendungen (M2M) eingesetzt und ermöglicht die mühelose Integration von Knoten, die wiederum mit einem Gateway-Gerät für Anschlüsse mit geringen Datenübertragungsraten (250 kBit/s) verbunden werden können. Ein solches Gateway-Gerät kann unter anderem von Atmel und Texas Instruments bezogen werden.

Die neueste Version, genannt ZigBee IP, entspricht dem IPv6-Standard und ermöglicht direkten Zugriff auf die Sensorknoten über das Internet, sodass wesentlich mehr Geräte auf einmal gesteuert werden können. Die Green-Power-Version von ZigBee erlaubt die Stromversorgung dieser Geräte aus umweltfreundlicher Technologie.

Doch auch die Konkurrenz rüstet sich auf breiter Front. WLAN-Versionen mit geringem Energiebedarf bieten niedrigere Datenübertragungsraten und schnelle Reaktionen auf sogenannte Datenbursts für erheblich längere Batterie-Laufzeiten und Kosteneinsparungen durch hohe Auftragsvolumina. Auf ähnliche Weise ermöglicht der Bluetooth Low Energy (LE)-Modus der neuesten Bluetooth-4.0-Version Anschlüsse mit sehr niedrigem Energiebedarf. Während dies zunächst zu höheren Stückzahlen und geringeren Kosten im Bereich Verbraucherelektronik führte, wächst nun das Interesse für IoT-Anwendungen.

Dieses Interesse ebnete den Weg hin zu neuen Technologien wie dem sogenannten Weightless-Protokoll, das speziell für IoT-Anwendungen entwickelt worden ist.

Die Interessengemeinschaft hinter Weightless sieht aktuell die Einführung der ersten Silizium-Produkte und plant, diese ab Q2 2014 mit dem Unternehmen Neul in Serie zu produzieren. Die ersten Module sind 35 mm x 45 mm groß und kosten zu Beginn rund 12 US-Dollar (ca. 9 Euro); 2015 soll dieser Preis auf 7 US-Dollar (ca. 5 Euro) fallen, während Module mit Abmessungen von 24 mm x 20 mm ab 2016 für rund 4 US-Dollar (ca. 3 Euro) oder weniger zu kaufen sein sollen. Weightless-Entwicklungskits sollen in Q2 2014 für Early-Access-Kunden erhältlich sein.

Von der Basis-Station NeulNET 2510 sind ab Q1 2014 erste Muster zu sehen, mit vorkommerzieller Verfügbarkeit ab Q2 2014. Netzwerke im Vereinigten Königreich und in den USA können sie für einen zweistelligen US Dollar-Betrag pro Monat mieten, so Professor William Webb, CEO von Weightless SIG.

 

Wie Weightless zeigt, müssen diese Sensoren und Controller mit einem Gateway verbunden werden. Derzeit bringen sich sämtliche großen Chip-Unternehmen für diesen Markt in Position. Mit Gateways im Sinn, hat Texas Instruments für ein einfacheres Design MAC- und physische Schnittstellen für Ethernet auf einem ARM-basierten Mikrocontroller angebracht.

Zu den neuesten Geräten zählen die ersten ARM Cortex-M4-basierten Controller mit Ethernet MAC+PHY, On-Chip-Data-Protection und LCD-Controller für einen wesentlich geringeren Platzbedarf auf einer Platine und angeschlossene Anwendungen wie Heim-/Gebäudeautomatisierungs-Gateways, integrierte Benutzerschnittstellen (HMI), mit einem Netzwerk gekoppelte Sensor-Gateways, Sicherheitssysteme und programmierbare Logik-Controller. Integrierte CAN- und USB-Schnittstellen bieten High-Speed-Verbindungen und ermöglichen nahtlose Gateway-Lösungen, während Anwendungen hinsichtlich Beleuchtung, Erkennung, Bewegungsmeldung, Anzeigen und Schaltungen auf Sensor-Addition über 10 I2C-Ports, zwei schnelle und akkurate 12-bit Analog-Digital-Wandler (ADC), zwei Quadraturencoder-Eingänge, drei On-Chip-Komparatoren, externe Peripherie-Schnittstellen und Ausgänge für erweiterte Impulsbreitenmodulation basieren.

Software ist ein Schlüsselelement für IoT und so hat Wind River eine vollständige Software-Entwicklungsumgebung auf der Basis von Prozessoren mit Intel-Architektur entwickelt. Die ab Anfang 2014 erhältliche Plattform bietet einsatzfertige Komponenten zur Sicherung, Verwaltung und Anbindung von IoT-Gateways.

Neben Gateway Security bietet die Software auch Anwendungsumgebungen für Lua, Java, und OSG, um somit die Entwicklung mobiler, skalierbarer und wiederverwendbarer Anwendungen für Geräte mit oder ohne Ressourcenbeschränkung zu ermöglichen und zugleich native Unterstützung von WLAN, Bluetooth, ZigBee und anderen Wireless-Protokollen mit kurzer Reichweite zu gewährleisten.

In der Zwischenzeit arbeiten Hersteller von Halbleitern mit Software-Anbietern zusammen an Komplettlösungen für IoT.

In Zusammenarbeit mit ARM und Oracle hat Freescale Semiconductor eine sichere „One Box“-Plattform entwickelt, die End-to-End-Software mit zusammenlaufenden hierarchischen Smart-Gateways kombiniert und somit einen gemeinsamen und offenen Rahmen zur Bereitstellung und Verwaltung sicherer IoT Services erschaffen kann.

Auf der Basis von Freescale Kinetis-Mikrocontrollern, i.MX Anwendungsprozessoren oder QorlQ-Kommunikationsprozessoren verwendet diese Plattform Oracle Java und ARM Sensinode-Software. Hiermit können zahlreiche Knotengeräte mit niedrigem Energiebedarf und Wireless-Protokollen wie 6LoWPAN, CoAP und OMA Lightweight M2M auf sichere Weise angeschlossen werden.

Freescale, ARM und Oracle arbeiten zudem daran, die Entwicklung von Knoten unter dem ARM mbed-Projekt effizienter zu gestalten. So könnte die native Hardware Abstraction Layer (HAL) des ARM mbed mit Oracle Java ME Embedded-Software auf ARM-basierten Freescale Kinetis-Mikrocontrollern laufen.

Die Cloud kann ebenso zur Unterstützung all dieser Sensorknoten eingesetzt werden. Xively, eine Tochtergesellschaft des Unternehmens für Fernzugriffssoftware LogMeIn, entwickelte die erste öffentliche Cloud-Plattform für das kommerzielle Internet der Dinge (IoT) und arbeitet jetzt zusammen mit Linear Technology daran, die Verfügbarkeit Cloud-verbundener Produkte mit ultra-niedrigem Energiebedarf aufzubessern. Durch die Integration von Linear's Dust Networks Wireless-Sensoren in Xivelys Cloud Services können die Unternehmen Entwicklern und OEMs eine höchst kosteneffiziente End-to-End-IoT-Lösung bieten, die von anfänglichem Prototyping und Überprüfen bis hin zu groß angelegter kommerzieller Einführung und Verwaltung alles abdeckt.

Die ARM Cortex-M3-basierten Wireless-Sensoren sind auf IP-Kompatibilität ausgelegt und verwenden 6LoWPAN und 802.15.4e Standards für eine Datenzuverlässigkeit von >99,999% und eine Batterielaufzeit von mehr als 10 Jahren, und gelten somit als Wegbereiter für Wireless-Sensornetzwerke in den anspruchsvollsten Anwendungen. Ein Starter-Kit enthält einen Muster-Anwendungscode, mit dessen Hilfe ein registrierter Xively-User das DC9000-Kit mühelos mit einem internetfähigen Computer verbinden kann. Dabei wird das IP-Sensornetzwerk automatisch als Xively-„Produkt“ registriert, während die Knoten und Sensoren Daten auf sichere Weise an die Xively-Cloud („Gerät“) des Users übermitteln können.

All dies unterstreicht die treibende Kraft hinter dem Internet der Dinge. So sind nicht nur Sensoren und Geräte erhältlich, sondern auch Bereiche wie Softwareumgebung, End-to-End-Implementierung und Anwendungsentwicklung stehen in den Startlöchern. Die Folge ist ein Plus an Entwicklungsarbeit, mehr Markteinführungen und geringere Kosten. Die meisten heute verfügbaren Geräte sind zunehmend integriert und unterstützen mehrere Protokolle – und bieten Entwicklern somit mehr Flexibilität bei der Wahl der richtigen Lösung zum richtigen Preis.