Wie Funkgeräte IoT-Netzwerke aufbauen können

Was ist IoT?

IoT oder Internet of Things ist eine Kombination aus intelligenten Geräten, Sensoren und Geräten, die über das Internet kommunizieren können.

Die Kombination von Geräten, die mit einem Netzwerk verbunden sind, ermöglicht die Erfassung und Weitergabe von Daten, die bestimmte Aktionen auslösen. Ein Sensor kann Sie zum Beispiel über Ihr Smartphone darauf aufmerksam machen, dass es im Wohnzimmer zu heiß ist, wenn Sie nicht zu Hause sind. Sie können auf Ihrem Smartphone ein Programm einstellen, um die Klimaanlage automatisch oder manuell einzuschalten.

Warum haben wir einen Artikel über IoT geschrieben?

Viele Artikel im Internet beschreiben IoT in stark verallgemeinerten Konzepten, gehen aber nicht wirklich auf die Funkaspekte ein. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Funk dabei helfen kann, ein IoT-Netzwerk aufzubauen.

Das Konzept des IoT

Das Konzept des IoT ist anfangs eventuell nicht leicht zu verstehen, daher können wir uns ein Beispiel ansehen. In diesem Beispiel haben wir einen Sensor, der eine Änderung einer physikalischen Größe (z. B. der Temperatur) erfasst und diese Änderung in ein elektrisches Signal umwandelt.
Der Sensor ist mit einer Steuereinheit verbunden, die das elektrische Signal in einen Wert umwandelt (z. B. in Grad Celsius). Je nach Einstellungen kann die Steuereinheit eine Aktion auslösen (z. B. das Einschalten der Heizung). Im Folgenden werden drei Methoden zur Implementierung eines solchen Erfassungssystems beschrieben:

Kabelgebundener Sensor

Wenn ein Sensor über Kabel mit der Steuereinheit verbunden ist, werden nur die Messwerte dieses Sensors von der Steuereinheit angezeigt, z. B. auf dem Display. Wegen der Kabel kann der Sensor häufig nicht besonders weit entfernt von der Steuereinheit aufgestellt werden. Die Steuereinheit kann zwar zusätzliche Anschlüsse haben, um mehr als einen Sensor anzuschließen, aber dies wird durch die Hardware eingeschränkt.

Wireless-Sensor

Durch die Integration von Funk in die Sensoreinheit können die Kabel entfallen, so dass der Sensor überall installiert werden kann, solange er sich in Funkreichweite der Steuereinheit befindet. Der Anschluss von Kabeln ist nicht notwendig. Da die Steuereinheit alle Sensoreinheiten erkennt, ist es möglich, den Wert von jedem Sensor einzeln zu erhalten, beispielsweise durch ein Anfrage- und Polling-Verfahren. Bei Bedarf können weitere Sensoreinheiten hinzugefügt und bei der Steuereinheit registriert werden.

Auch wenn wir die Kabel durch Funk ersetzt haben, ist die Interaktion immer noch auf den Anwender und die Steuereinheit selbst beschränkt. Es gibt keine Methode, die Werte zu steuern oder abzulesen, wenn Sie sich nicht vor Ort befinden.

IoT-Konzept

Das IoT-Konzept geht noch einen Schritt weiter, indem es die Daten über ein Gateway (zentraler Knotenpunkt) direkt an das Internet oder die Cloud sendet. Da die Messdaten nun überall mit einem Gerät, das eine Internetverbindung herstellen kann, abrufbar sind, kann der Nutzer jeden Sensor überwachen, ohne vor Ort zu sein. Eine Aktion kann sogar vom Nutzer initiiert und über die Cloud zurückgesendet werden.

Wie macht IoT unser Leben leichter?

Wenn wir das obige IoT-Konzept erweitern, können wir einige Beispiele nennen:

Zuhause

• Ein Sensor könnte über das Internet eine Warnung an Ihr Smartphone senden und Ihnen mitteilen, dass die Temperatur in Ihrem Haus zu hoch ist. Über Ihr Smartphone können Sie die Klimaanlage einschalten, bevor Sie nach Hause kommen. Dies kann aber auch automatisch über Ihre benutzerdefinierte App erfolgen.
• Sie fahren nach Hause und die Smartphone-App erkennt, dass Sie sich dem Haus nähern. Die App kann über das Internet einen Befehl senden und das Garagentor öffnet sich automatisch.
• Bewegungsmelder in Ihrem Haus können bei unbefugtem Zutritt einen Alarm senden.

Krankenhaus

• Patienten können ihre Vitalwerte überwachen lassen. Die Information kann über das Internet an Pflegekräfte gesendet und von diesen abgelesen werden.
• Krankenhausgeräte können für die Bestandskontrolle mit Tags versehen werden.

Energieversorgung

• Intelligente Messgeräte für Gas, Strom usw. können Live-Messwerte senden, damit Sie Ihren Energieverbrauch verfolgen können.

Industrie

• Wartung von Industrieanlagen. Anstelle eines regelmäßigen Austauschs können intelligente Sensoren, die an den Geräten angebracht sind, Überhitzung und Verschleiß erkennen und Warnungen senden.

Wie kann HF-Technik in das IoT integriert werden?

Was ist LPWA?

LPWAN (Low Power Wide Area Network) oder einfach LPWA ist ein Netzwerk, das es ermöglicht, mit niedriger Sendeleistung (z. B. Batteriebetrieb und niedrigem HF-Pegel) einen großen Bereich abzudecken.

Weites Netzwerk

Das Wort „weit“ bedeutet „einen großen Bereich abdecken“, aber LPWA erreicht dies durch die Implementierung eines Netzes mit einer Reihe von zugänglichen Gateways. Ein Gateway kann für einen oder mehrere Sensoren in der Nähe zuständig sein.

Große Reichweite

Obwohl wir „weit“ im Sinne von „großes Gebiet“ definiert haben, können wir die Definition auch auf die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über große Entfernungen ausdehnen. Eine Methode zur Erweiterung der Entfernung ist die Verwendung von Relaisstationen, aber es gibt auch andere Methoden.

Um auch bei niedrigeren Leistungspegeln über eine große Entfernung noch Funk empfangen zu können, muss die Empfängerempfindlichkeit erhöht werden. Hochentwickelte Methoden wie LoRa ermöglichen eine höhere Empfindlichkeit bei geringeren Datenraten. Der Vorteil von LPWA für das IoT besteht darin, dass für die Erfassung von Sensormesswerten oft keine großen Datenraten erforderlich sind, wenn die Sensorerfassung nur in periodischen Abständen erfolgt.

Bessere Durchdringung

Ein Empfänger mit höherer Empfindlichkeit, der auf niedrigen Frequenzen arbeitet, die von festen Materialien nicht vollständig absorbiert werden, kann den Empfang in schwer zugänglichen Bereichen ermöglichen, z. B. in unterirdischen Entwässerungssystemen.

Messgeräte

Sensoren mit Funksender benötigen zum Betrieb Strom. Es wäre jedoch unpraktisch, zu diesem Zweck Stromkabel zu verlegen, insbesondere wenn keine Energiequelle verfügbar ist. Folglich müssten die Sensoren solar- und batteriebetrieben werden.

Um Wartung und Batteriewechsel zu minimieren, können die Sensoren mit geringer HF-Leistung betrieben werden, und in Zeiten, in denen keine Daten erfasst werden, kann der Sender in eine Art Standby-Zustand versetzt werden. Ein Sensor, der Warnungen senden soll, braucht beispielsweise nur einen bestimmten Zustand zu erfassen, anstatt Daten zu sammeln. Ein solcher Sensor müsste nur einen EIN- oder AUS-Zustand erkennen und diesen entsprechend senden.

Kundenspezifische Sensoren

Ein Sensor könnte allgemein gehalten werden, d. h. er verfügt über Eingänge (digital und analog) und eine Funkeinheit, um diese Eingangswerte seriell zu übertragen. Eine solche Schnittstelle kann durch die Verwendung einer frei programmierbaren Leiterplatte wie z. B. einem Arduino realisiert werden. Dadurch könnte der Benutzer eine Vielzahl von Wandlern an die Eingänge anschließen und ein individuell angepasstes Programm oder eine Bibliothek erstellen.

Verwendung von mehreren Sensoren

Durch die Verwendung eines Polling- und ID-Systems ist es möglich, Daten von mehreren Sensoren mit Funkfunktionalität zu erfassen.

Freqenzbänder

Das 2,4-GHz-Band ist ein ISM-Band, das WiFi-Konnektivität ermöglicht. Wenn sich Geräte im selben Bereich befinden, ist die Gefahr von Störungen hoch, was den Einsatz von Spread-Spectrum-Technologie wie z. B. Direct Sequence Spread Spectrum oder Frequency Hopping Spread Spectrum erfordert.

Bei LPWA-Netzwerken mit mehreren Sensoren kann der Prozess erheblich verlangsamt werden. Aus diesem Grund liegen die Betriebsfrequenzen von LPWA-Netzwerken hauptsächlich im oberen Bereich des Sub-GHz-Bands, z. B. 800/900 MHz. Lizenzenpflichtige Bänder wie LTE ermöglichen höhere Datenraten mit weniger Interferenzen, können jedoch keine signifikante Entfernung überbrücken. Sie eignen sich eher für städtische Gebiete, in denen die Basisstationen in einer zellularen Anordnung stehen.

 

Für kleinere Anwendungen sind niedrigere Frequenzbänder wie 434 und 429 MHz gut geeignet, um ländliche Gebiete zu durchdringen, in denen eine Verbindung zu einer entfernten Basisstation besteht. 434 und 429 MHz eignen sich zwar gut für die Abdeckung von weitläufigem Gelände, sind jedoch aufgrund der geringen Bandbreite nicht für hohe Datenraten geeignet. Für die Datenerfassung von einem einzelnen Sensor ist dies jedoch ausreichend.

Gateways

Ein Gateway (zentraler Knotenpunkt) kann als Sammelstelle für alle unsere Sensordaten dienen, um deren Übertragung in die Cloud oder ins Internet zu ermöglichen. Wenn diese Verbindung auch drahtlos ist, wird ein zweites Funkgerät benötigt.

Speicherung und Analyse

Alle an die Cloud gesendeten Daten können per Desktop-Applikation auf einem PC oder Smartphone überwacht und analysiert werden. Ein Beispiel ist eine Anwendung zur Überwachung der Spannung an einem Elektrozaun.

Sicherheitsfragen

Die Übertragung der Kontrolle über Geräte an das Internet der Dinge wirft die Frage der Sicherheit auf, was Menschen verständlicherweise davon abhalten kann, das Internet der Dinge zu nutzen. Wenn Daten nicht verschlüsselt sind, können persönliche Informationen nach außen dringen, sodass auch Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes bestehen. Wenn Malware das Internet der Dinge angreifen kann, müssten solche Geräte regelmäßig Sicherheitsupdates erhalten.

Fazit

Wir können die Auswirkungen des IoT auf unser tägliches Leben erkennen, da es die Automatisierung und den Komfort erhöht. In industriellen Anwendungen ermöglicht die Echtzeitüberwachung eine schnelle Inspektion und effiziente Reparaturen. Die Gesundheit der Menschen kann überwacht werden, um potenzielle Probleme vorherzusehen und ihnen vorzubeugen.