Zuverlässige Kommunikation zwischen IoT-Geräten ー wie schafft man das?

In IoT-Systemen mit mehreren Sensorgeräten ist es wichtig, das richtige Verfahren zur drahtlosen Kommunikation zu wählen. Dies hilft unvorhergesehene Kosten oder den Verlust geschäftskritischer Daten zu vermeiden. Was sind die zwei Standards der drahtlosen Kommunikation, die Experten kennen sollten? Wann empfiehlt sich das eine, wann das andere? Was sind Risiken, die man kennen sollte?

Architektur eines Datenerhebungssystems

Ob Ausfallserkennungssysteme für automatische Anlagen in Fabriken, intelligente Lichtmanagementsysteme oder eine IoT-Klimatisierungslösung: Datenerhebungssysteme erfassen normalerweise eine große Zahl der Sensorgeräte (Sensorknoten), die Informationen über Umgebung sammeln und sie an eine Zentralstelle (Gateway) senden. Das Gateway überträgt die Daten zu Cloud-Systemen für Verarbeitung und Analyse. Danach können Benutzer über das Web oder mobile Schnittstellen auf visualisierte Daten zugreifen und das System fernsteuern.

Ein typischer Datenerhebungsprozess in IoT-Systemen

Um die erhobenen Daten für die weitere Analyse zu übertragen, müssen Sensorgeräte in ein Netzwerk verbunden werden. Hauptsächlich werden zwei Möglichkeiten genutzt:

Traditioneller Ansatz: Sternnetzwerke 

In einem Sternnetzwerk sind alle Sensorgeräte mit einem Gateway verbunden, das als gemeinsamer Verbindungspunkt dient. Alle von Sensoren erfassten Daten können nur über dieses Gateway empfangen und gesendet werden.  

IoT-Geräte in ein Sternnetzwerk einzubinden, ist ein relativ einfacher und kosteneffizienter Ansatz, da Signale nur zwischen zwei Punkten hin und her übermittelt werden. Ein weiterer Vorteil besteht im Energiesparen, da Sternknoten nicht ständig “wach” sein müssen und gehen in den Standby-Modus, wenn keine Daten übertragen werden, was die Batterie schont.

Sternnetzwerke haben jedoch auch einige Nachteile:

• Eingeschränkte Reichweite. In Sternnetzwerken können Signale nur direkt vom Knoten zum Gateway übertragen werden. Die Übertragungsdistanz ist also durch die Übertragungskapazität der Sensorgeräte begrenzt. Um dem vorzubeugen, müsste man neue Gateways hinzufügen.
• Wunde Punkte. Jedes Hindernis, das den Zugang des Sensorknotens zum Gateway blockiert, darunter Wetter, Betonwände, abfallendes Geländer usw., kann die Knoten-Netzwerk-Verbindung beeinträchtigen. Und damit auch die Zuverlässigkeit des Netzwerks selbst. Deshalb sind Sternnetzwerke für Stadtgebiete eher ungeeignet.

IoT-Gerät-zu-Gerät-Kommunikation in einem Sternnetzwerk funktioniert nicht in jeder räumlichen Umgebung oder auf zu große Entfernung 

• Gateway-Verbindungsprobleme. Die Zuverlässigkeit der Sternnetzwerke hängt von einem richtig funktionierenden Gateway ab. Falls das Gateway die Verbindung verliert, ist das Netzwerk nicht imstande, Daten zu speichern. Dieser Datenverlust kann etwa bei Überprüfung industrieller Ausrüstung und Kühlkettenmanagement besonders kritisch werden.
• Erhöhter Energieverbrauch auf Distanz. Wenn sich ein Sensorknoten weit entfernt von dem Gateway befindet, verbraucht die Signalübertragung sehr viel Energie.

Zuverlässigerer Ansatz: Mesh-Netzwerke 

In einem Mesh-Netzwerk kooperieren alle Sensorgeräte, um Daten in einem Knotennetzwerk zu verteilen. Sie übertragen nicht nur ihre eigenen Signale, sondern sie dienen auch als 

Verstärker, der Daten von benachbarten Knoten vermittelt. 

Laut Global Market Insights wird der Markt für drahtlose Mesh-Netzwerke zwischen 2020 und 2026 um über 15% wachsen. Es gibt eine Reihe von Gründen dafür:

• Größere Reichweite. Im Gegensatz zu Sternnetzewerken ist der Radius von Mesh-Netzwerken nicht eingeschränkt. Der Grund: die Knoten empfangen Signale von benachbarten Geräten und werden so lange sprichwörtlich weitergereicht, bis Daten den Bestimmungsort erreichen.

Mesh-Netzwerke helfen “wunde Punkte” zu vermeiden, indem sie größere Reichweite und zuverlässige Datenübertragung sichern.

• Einfache Erweiterung. Zur Reichweitenerweiterung kann man einfach neue Geräte zum Netzwerk hinzufügen. Es besteht keine Notwendigkeit, ein neues Gateway hinzuzufügen oder ein bereits vorhandenes zu verschieben. Das Einzige, was notwendig ist: dass das neue Gerät für ein benachbartes Gerät erreichbar ist. Neue Geräte werden automatisch in das bestehende Netzwerk aufgenommen, ohne im Voraus konfiguriert werden zu müssen. Das macht Mesh-Netzwerke flexibel und anpassungsfähig. 
• Hohe Zuverlässigkeit. Wenn ein neues Sensorgerät vernetzt ist, sucht es automatisch nach verfügbaren Routen, um mehrere zuverlässige Verbindungen zu finden. Also setzt das Netzwerk nie auf einen einzigen Knoten. Das minimiert das Risiko eines Verbindungsausfalls.
• Selbstheilung. Mesh-Netzwerke verwenden Selbstheilung-Algorithmen, wie Shortest Path Bridging. Falls ein Knoten Verbindung verliert, findet der Algorithmus den kürzesten verfügbaren Datenübertragungsweg und stellt das System ohne Datenverlust wieder her.

Trotz vieler Vorteile gibt es einige Faktoren, die man vor dem Einsatz einer Mesh-Netzwerk-Infrastruktur berücksichtigen sollte: 

• Hohe Komplexität. Mesh-Netzwerke sind komplexer in ihrer Entwicklung als Sternnetzwerke. Grund dafür: Komplizierte Kommunikationsprotokolle, Umsetzung des Sicherheitsstandards sowie der selbstorganisierende Charakter dieser Netzwerke. Darüber hinaus gilt: je größer die abzudeckende Fläche ist, desto mehr Knoten sind erforderlich. In manchen Fällen muss man zusätzliche Knoten installieren, die keine Daten erheben, sondern lediglich dabei helfen Reichweite der Netzwerke zu erweitern. Zahlreiche Verbindungen verkomplizieren aber das Netzwerk-Management und seine Wartung. 
• Höherer Energieverbrauch. Mesh-Knoten müssen dauernd “wach” bleiben und “zuhören”, während sie auf ein Signal warten, das jederzeit zu übertragen ist. Der Akku ist also schneller leer als bei Sternnetzwerken, besonders bei Geräten, die viele Signale vermitteln.  
• Begrenzte Übertragungskapazität. Mesh-Netzwerke funktionieren nur dann gut, wenn sie kleinere Datenpakete übertragen. Um größere Dateien wie Videos zu senden, sollte man lieber Sternnetzwerke verwenden. 
• Komplexe Sicherheitsimplementierung. In einem Sensornetzwerk kann ein einziger gestörter Verstärker den Zusammenbruch des ganzen Systems verursachen. Wenn es um große Mesh-Netzwerke geht, wo alle Knoten als Verstärker funktionieren, ist das Risiko solcher Attacken besonders hoch. Somit ist es beim Entwickeln von Mesh-Netzwerken wichtig, ein starkes Sicherheitssystem umzusetzen. Erhöhter Sicherheit folgt aber normalerweise geringere Netzwerk-Bandbreite. In einigen Fällen ist es deshalb besser, Sternnetzwerke mit einfacheren Sicherheitsmechanismen zu benutzen. 
• Größere Latenz. Jeder neue Knoten in einem Mesh-Netzwerk löst eine Verzögerung zwischen dem Senden und dem Empfangen von Informationen aus. Das kann für manche Systeme entscheidend werden, die alle paar Minuten Datenpakete schicken müssen.

Reale Beispiele von Systemen mit einer IoT-Mesh-Netzwerk-Architektur

Mesh-Netzwerk-Architektur ist sinnvoll für Systeme, die dafür entworfen sind, Daten von großen Flächen zu erheben, Hindernisse im städtischen Umfeld zu überwinden und zuverlässige Datenübertragung zu sichern. Hier sind einige Beispiele, wie man Mesh-Netzwerke anwenden kann.

• Industrielle Fertigung. Linear Technology, ein Hersteller von hochwertigen analogen integrierten Schaltungen, benutzt Mesh-Netzwerke, um Fertigungsbetrieb zu optimieren. Das Unternehmen hat seine Gas-Zylinder mit Sensorknoten ausgestattet, was ihm erlaubt, den Gasfüllstand mit einer Datenzuverlässigkeit von über 99.999% zu kontrollieren. Die Lösung nutzt eine Steuerungssoftware, die die erhobenen Daten protokolliert und in Echtzeit visualisiert. Dank der Analyse von Gasnutzungsraten sind die technischen Spezialisten in der Lage zu prognostizieren, wie schnell Gas verbraucht wird, um die ununterbrochene Versorgung zu gewährleisten. 
• Gesundheitswesen. Ein niederländisches Kinderkrankenhaus hat ein IoT-Mesh-Netzwerk eingesetzt, um Bestände wie Betten, Inkubatoren, Infusionspumpen u. Ä. nachverfolgen und auf dem Krankenhausgelände finden zu können. Die Lösung ermöglicht die Bestandskontrolle. Das heißt, dass die Krankenhausverwaltung benachrichtigt wird, ob Vorräte aufgefüllt werden müssen. Das Krankenhaus verwendet außerdem ein Mesh-basiertes intelligentes Lichtsystem. Damit kann man Tageslicht kompensieren und Beleuchtungspläne an Anwesenheit oder persönliche Präferenzen anpassen. Ergänzt durch Beacons, unterstützt das System zusätzlich Indoor-Navigation auf einem Handy.
• Umweltüberwachung. Experten von der Johns-Hopkins-Universität analysieren Bodenmikroklimas, dabei verwenden sie Mesh-Netzwerke. Das Team implementierte mehr als 100 Knoten an verschiedenen Standorten in ganz Maryland. Die erfassten Daten erlaubten, Informationen über Bodenfeuchtigkeit und Beobachtungen der Bodenlebewesen zueinander in Beziehung zu setzen, damit man besser vorhersehen kann, inwiefern menschliche Tätigkeiten den Boden beeinflussen. Ein weiteres Beispiel ist ein Luftüberwachungssystem, das von der Universitу Sains Malaysia vorgeschlagen wurde. Die Lösung enthält ein Netzwerk von O2- und Temperatursensoren und stellt Sauerstoffkonzentrationsanalyse in Echtzeit dar.

Was ist beim Einsetzen eines drahtlosen Sensornetzwerks zu berücksichtigen?

Zukunftssicherer Ansatz — neue Anwendungsfälle planen 

Beim Aufbauen eines IoT-Networks geht es oft um erhebliche Investitionen. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass die Architektur erweiterbar und zuverlässig für die Anwendungsfälle ist, die heute noch unvorstellbar sind. 

Beispiel: Straßenbeleuchtung. Die sogenannte Straßenlichtsteuerung der ersten Generation wurde entworfen, um die Beleuchtung an- und auszumachen und Aktualisierungen abzurufen. Die Systeme der zweiten Generation konnten schon Informationen über Energieverbrauch sammeln. Heute ist Straßenbeleuchtung ein fester Bestandteil in Smart-City-Projekten. Sie umfassen Straßenlichter und Näherungssensoren, was Lichtstärke, öffentliche Sicherheit und Verkehrsfluss optimiert. Die Infrastruktur der ersten Generation ist nicht dafür ausgerichtet, immer mehr Sensoren, die für neue Anwendungsfälle notwendig sind, zu unterstützen. Kurz gesagt: es ist unabdingbar, beim Einsatz einer Netzwerkinfrastruktur mit Blick auf künftige Use Cases zu planen, um Geld und Zeit zu sparen.

Integrierter Ansatz — Software, Hardware, Konnektivität

Wenn Sie vorhaben, ein drahtloses Netzwerk in Ihre IoT-Infrastruktur zu integrieren, sollten Sie nicht nur eine einzelne Komponente überprüfen, sondern das ganze IoT-System: Geräte, Sensoren, Embedded-Software, Cloud-Infrastruktur, Web und Anwendungen. Generell ist es schwer vorherzusagen, wie all diese Komponenten zusammenwirken werden, wie der Datenaustausch und die Interaktion mit Ihrer bereits bestehenden IT-Infrastruktur stattfinden werden. 

Softeq unterstützt Sie dabei, die zuverlässige Kommunikation zwischen IoT-Geräten sicherzustellen. Wir entwickeln mit Blick auf Ihr Budget die kosteneffizienteste Lösung ー wählen die passende Verbindungsoption, Hardware-Plattform und Kommunikationsprotokoll (oder entwickeln ein benutzerdefiniertes, wenn nötig). So, wie wir es für unseren Kunden, ein Startup auf dem HLK-Markt, taten.