Skip to main content
shopping_basket Warenkorb 0
Einloggen

Kommunikationsprotokolle für IoT

IoT_COMMS_9e761229a5e882144308ee0d0ef9ec768e0a9e7b.jpg

Elektronikingenieure und Anwendungsentwickler müssen die Vor- und Nachteile einer ständig wachsenden Anzahl von Konnektivitätsoptionen abwägen, wenn sie an Produkten und Systemen für das industrielle Internet der Dinge (IIoT, Industrial Internet of Things) arbeiten.

Smart Factories, d. h. intelligente Fabriken, sind nichts Neues. Seitdem SPS die Reihen festverdrahteter Relais ersetzt haben, überwachen Ingenieure die intelligente Automatisierung industrieller Prozesse. Im Laufe der Zeit wurde eine Vielzahl von drahtgebundene Netzwerkprotokollen wie Modbus, Profibus, EtherNET / IP, Interbus, ControlNet und viele mehr in Fertigungsumgebungen eingesetzt, um eine standardmäßige industrielle Kommunikation zu ermöglichen, hauptsächlich für die Maschinen- und Prozesssteuerung.

Jetzt jedoch hat das Aufkommen des industriellen Internet der Dinge (IIoT) der Smart Factory endlose neue Möglichkeiten eröffnet, da die Erfassung und Übertragung von Daten exponentiell zunimmt. Um den Bereitstellungsprozess zu beschleunigen und erhebliche Installationskosten zu sparen, verwenden viele Anwendungen jetzt drahtlose Netzwerkmethoden, anstatt die Reichweite des drahtgebundenen Netzwerks zu vergrößern. Von dem Werk und der Anlage über Edge oder die Cloud bis hin zur Unternehmensebene erfordert die Verwaltung des Datenflusses ein völlig neues Verständnis der drahtlosen Kommunikation, wobei eine Vielzahl von anwendungsbasierten Abstimmungen erforderlich sind, die berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören Reichweite, Leistung, Datenrate, Latenz, Ausfallsicherheit und Betriebsbedingungen, um nur einige zu nennen. Hier finden Sie eine Aufschlüsselung der wichtigsten IIoT-Kommunikationsprotokolle, mit deren Hilfe Sie den vollen Nutzen von Industrie 4.0 erzielen können.

Bluetooth Mesh

bluetooth_d302453480f7d6e5be8d117a3f97e4e4cbfcc394.jpg

Bluetooth ist möglicherweise die bekannteste Nahbereichskommunikationstechnologie, die für IoT-basierte Consumer-Anwendungen wie die Dateiübertragung von Gerät zu Gerät sowie für drahtlose Lautsprecher und Headsets äußerst beliebt geworden ist. Bluetooth, ein IEEE 802.15-Standard, hat sich jedoch auch in intelligenten Industrieumgebungen zu einem bedeutenden Akteur entwickelt. Seit 2017 nimmt das Einsatztempo nach der Einführung von Bluetooth Mesh – einer auf Bluetooth LE verfügbaren Netzwerktopologie, die die Erstellung großer Netzwerke zur Kommunikation von vielen Geräten mit vielen Geräten ermöglicht – rapide zu. Einer der wesentlichen Vorteile von Mesh-Netzwerken besteht darin, dass alle Geräte in einem Netzwerk miteinander kommunizieren können und nicht durch einen zentralen Hub eingeschränkt sind. Daher ist es besonders geeignet für die Steuerung, Überwachung und Automatisierung von Systemen in industriellen Umgebungen, in denen möglicherweise Tausende von Geräte sicher miteinander kommunizieren müssen.

Vorteile: Durch die Bluetooth Mesh-Topologie sind Größe und Fläche des Netzwerks praktisch unbegrenzt, sodass sie sich ideal für den Anschluss umfangreicher Sensornetzwerke eignet. Über Bluetooth SIG gestartet stellt die Interoperabilität auch einen großen Vorteil dar – mit Abwärtskompatibilität mit einer Vielzahl vorhandener Bluetooth-Geräte.

Nachteile: Die relativ kurze Reichweite und die geringen Datenübertragungsraten sind in einigen Anwendungen hinderlich. Bluetooth Mesh eignet sich eher für lokale Netzwerke in unmittelbarer Nähe. 

Mobilfunk

 3G_4G_5G_585287c6ab5c72c8b93fe6366c248363239b0041.jpg

Jede IIoT-Anwendung, die einen Betrieb über größere Entfernungen erfordert, kann die Mobilfunk-Kommunikationsfunktionen von GSM/3G/4G nutzen – eine bewährte Methode zum Senden relativ großer Datenmengen. Es kann auch ideal für sensorgestützte Datenprojekte mit geringer Bandbreite sein, die sehr geringe Datenmengen über das Internet senden. Narrowband IoT (NBIoT), basierend auf der Mobilfunk-Infrastruktur, ist auch ein alternatives Mobilfunk-Protokoll für niedrige Datenraten. Ein Großteil der Aufmerksamkeit der neuesten Mobiltechnologie der fünften Generation (5G) war und ist auf die Verbesserung mobiler Dienste gerichtet und im Zuge dessen drängen auch IIoT-Anwendungsfälle in den Vordergrund. Mit ultrahoher Geschwindigkeit, geringer Latenz und Datenübertragungsfunktionen mit großem Volumen könnte 5G die industrielle Umgebung erheblich verbessern, Fortschritte in kritischen Bereichen wie der Prozessoptimierung vorantreiben und einen höheren Automatisierungsgrad unterstützen. Das Protokoll eignet sich besonders für jede IIoT-Anwendung, die eine äußerst zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz erfordert. Die theoretischen Spitzengeschwindigkeiten von 20 Gbit/s unterstützen geschäftskritische Anwendungen wie Industrierobotik, Bildverarbeitung oder präzise Positionierung in Innenräumen. Andere Anwendungsfälle sind die Bereitstellung des sogenannten massiven Internet der Dinge (mIoT), bei dem 5G in Servicenetzwerken eingesetzt werden kann, die Milliarden von kostengünstigen Geräten mit großer Reichweite und extrem energieeffizienter Verbindung auch an den entferntesten Standorten umfassen, mit einer Anforderung für seltene Kommunikation.

Vorteile: Datenfunktionen mit extrem hoher Geschwindigkeit, geringer Latenz und hohem Datenvolumen, die alle geschäftskritischen IIoT-Kommunikationsanforderungen erfüllen können.

Nachteile: Kosten und Stromverbrauch können für viele Anwendungen zu hoch sein. Das Festlegen des ROI für 5G-fähige intelligente Fabriken wird einige Zeit dauern.

COAP (Constrained Application Protocol)

CoAP_e283f4087f56c0a80656e453ba35d270be475d9a.jpg

Das Constrained Application Protocol (CoAP) ist ein spezielles Webübertragungsprotokoll, das speziell für die Verwendung mit eingeschränkten Knoten und eingeschränkten Netzwerken in Machine-to-Machine-Anwendungen entwickelt wurde. Seine Hauptstärke besteht darin, einfachen Geräten den Zugang zum Internet zu ermöglichen, selbst wenn eine geringe Bandbreite und geringe Verfügbarkeit einschränkende Faktoren sind. CoAP RFC-7252 wurde von der Internet Engineering Task Force entwickelt und unterstützt eine relativ hohe Anzahl kostengünstiger Knoten. Es wurde für die Arbeit mit Mikrocontrollern mit nur 10 KB RAM und 100 KB Code-Speicher entwickelt. Grundsätzlich ist die CoAP-Architektur darauf ausgelegt, die Überlastung der Netzwerkbandbreite zu reduzieren, Batteriestrom und Speicherplatz zu sparen und die Datenmenge zu reduzieren, die die CPU betreibt.

Vorteile: Ein einfaches Protokoll, ähnlich wie HTTP, das in eingeschränkten Umgebungen niedrige Betriebskosten und geringe Bandbreitenanforderungen aufweist

Nachteile: Es wurde 2014 eingeführt und ist immer noch ein aufstrebender Standard. Unzuverlässigkeit und Sicherheit von Nachrichten wurden als Nachteile angeführt.

LoRaWAN

LoRa_28db0473d9a6550ab1dc201a60e8ae6826dc9874.jpg

LoRaWAN ist ein Low Power Wide Area Networking-Protokoll mit geringem Stromverbrauch, das eine kostengünstige mobile sichere bidirektionale Kommunikation in IIoT-Netzwerken unterstützt. Die Netzwerkarchitektur des nicht lizenzierten drahtlosen Spektrums für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) von 850 bis 950 MHz wird normalerweise in einer Stern-zu-Stern-Topologie bereitgestellt, wobei Gateways Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver senden. Die Gateways sind über Standard-IP-Verbindungen mit dem Netzwerkserver verbunden, fungieren als Brücke und konvertieren RF-Pakete in IP-Pakete und umgekehrt. Die drahtlose Kommunikation ist für einen zuverlässigen Fernbetrieb optimiert und ermöglicht eine Single-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät und einem oder mehreren Gateways, wobei alle Modi bidirektionale Kommunikation ermöglichen. LoRaWAN kann große Netzwerke von potenziell Millionen von Geräten mit Datenraten zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s unterstützen. Wegen seiner erweiterten Reichweite findet LoRaWAN zunehmend Anwendung in rauen Industrieumgebungen, in denen Lärm die Kommunikation beeinträchtigen kann. Wegen des geringen Stromverbrauchs hat sich LoRaWAN als beliebte Netzwerklösung für batteriebetriebene IIoT-Geräte erwiesen, da es die Batterielebensdauer für Zeiträume von bis zu zehn Jahren unterstützen kann.

Vorteile: Skalierbare Lösung, die einen breiten Leistungsbereich mit geringem Stromverbrauch und einfach zu implementierender Architektur bietet.

Nachteile: Nur für Anwendungen mit niedrigen Datenraten. Ungeeignet für Echtzeitanwendungen mit geringen Latenzanforderungen.

OpenThread 

Open_thread_20f2d8cbbcc23baaec7acb19d75ab7a2dcb9b99c.jpg

Von Google unterstütztes OpenThread ist eine Open-Source-Implementierung von Thread, einem IPv6-basierten Netzwerkprotokoll, das speziell für Geräte mit geringem Stromverbrauch in einem drahtlosen Mesh-Netzwerk für den persönlichen Bereich entwickelt wurde. Es wird manchmal als Googles Version des ZigBee bezeichnet, da beide auf dem Standard IEEE 802.15.4-2006 basieren. Mit der Einführung von OpenThread wird die in Google Nest-Produkten verwendete Netzwerktechnologie einem breiteren Spektrum von Entwicklern zur Verfügung gestellt, vor allem, um die Produkttypen für vernetzte Wohn- und Geschäftsgebäude zu erweitern und zu diversifizieren. Das Protokoll könnte jedoch auch in industriellen Umgebungen Anwendung finden, insbesondere als Mittel zum Verbinden von Knoten mit eingeschränkten Ressourcen wie eingebetteten Sensoren und Aktoren über mehrere drahtlose Verbindungen.

Vorteile: Einfache und sichere Installation, während ein selbstheilendes Mesh-Netzwerk keine einzige Fehlerquelle bedeutet. Hocheffizient mit Geräten mit geringem Stromverbrauch, die in der Lage sind, in einen Ruhemodus überzugehen und längere Zeit mit Batteriestrom zu arbeiten.

Nachteile: Relativ neues Netzwerkprotokoll, das stärker mit der Hausautomationsumgebung verbunden ist, sodass die Anwendung in industriellen Umgebungen eingeschränkt ist.

Sigfox

Sigfox_8428acc9a6d364000f0c4f69d57f3be2adba6ad7.png

Sigfox verwendet ISM-Bänder, um Daten über ein sehr enges Spektrum zu und von verbundenen Objekten zu übertragen. Dabei werden Anwendungen von Maschine zu Maschine unterstützt, die mit einer kleinen Batterie ausgeführt werden und nur eine geringe Datenübertragung erfordern. Das Protokoll verwendet eine Technologie namens Ultra Narrow Band, die speziell für niedrige Datenübertragungsgeschwindigkeiten entwickelt wurde. Es verbraucht nur 50 Mikrowatt im Vergleich zu 5000 Mikrowatt für die Mobilfunkkommunikation oder kann mit einer 2,5-Ah-Batterie eine typische Standby-Zeit von 20 Jahren liefern, während es für Mobilfunk nur 0,2 Jahre sind. Die robuste, stromsparende und skalierbare Natur von Sigfox-Netzwerken hat es für verschiedene Anwendungen geeignet gemacht, in denen batteriebetriebene Geräte über weite Bereiche ausgeführt werden. Obwohl Sigfox-Netzwerke nicht auf bestimmte Branchen ausgerichtet sind, können sie praktisch in jedem Kontext eingesetzt werden, in dem eine Konnektivitätslösung mit geringem Durchsatz erforderlich ist. Die Definition eines niedrigen Durchsatzes wird als bis zu 140 Nachrichten pro Objekt und Tag mit einer Nutzlastgröße für jede Nachricht von 12 Bytes und einem drahtlosen Durchsatz von bis zu 100 Bit pro Sekunde charakterisiert. Typische IIoT-Anwendungen umfassen Cloud-basiertes Asset Tracking in der Fertigung und Ressourcenmanagement im Versorgungssektor.

Vorteile: Kostengünstige Konnektivität bei geringem Energieverbrauch. Einfache Integration und Bereitstellung ohne komplexe Infrastruktur.

Nachteile: Nicht für Kommunikation mit hoher Datenrate geeignet. 

Zigbee

zigbee_logo_0519d2a8a9ae0d4f2fdd69e3eac87154b6cc6d87.jpg

Zigbee ist ein lokales Netzwerkprotokoll, das auf dem Standard IEEE 802.15.4 basiert und die Basis für eine große installierte Betriebsbasis in industriellen Umgebungen bildet. Mit 2,4 GHz ist es ein Protokoll, das sich am besten für Anwendungen eignet, die einen relativ seltenen Datenaustausch mit niedrigen Datenraten über einen begrenzten Bereich und innerhalb eines Bereichs von 100 m erfordern. Basierend auf einer Mesh-Topologie kann Zigbee Tausende von Knoten in einem Netzwerk unterstützen und so eine effiziente Datenübertragung zwischen Sensoren und Geräten fördern, die alle miteinander kommunizieren können. Dan seiner Skalierbarkeit ist Zigbee hochgradig optimiert für IIoT-Anwendungen in Fabrikumgebungen.

Vorteile: Bietet einige bedeutende Vorteile in komplexen industriellen Systemen, die einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch, hoher Sicherheit, Robustheit und hoher Skalierbarkeit bei hohen Knotenzahlen bieten.

Nachteile: Minimale Reichweite und niedrige Datenraten beschränken ZigBee auf lokale Netzwerke. Maximale Datenrate von 250 kbit/s, wodurch die Leistung weniger günstig ist als bei anderen Protokollen wie WLAN.

Fazit - Auswahl des richtigen Protokolls

Es ist also klar, dass Konstrukteure und Anwendungsentwickler eine Vielzahl von Optionen haben, wenn es um die Auswahl von Kommunikationsprotokollen für IIoT geht. Und es gibt viele andere Optionen wie Z-Wave, 6LoWPAN, WiFi und Neul, um nur einige zu nennen. In jedem Fall sind Faktoren wie Reichweite, Strombudget und erforderliche Datenrate zusammen mit der Verbindungslatenz und der Robustheit entscheidende Faktoren im Auswahlprozess. Beachten Sie auch, dass Protokolle häufig für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Ingenieure möchten möglicherweise ein Bluetooth-Netz verwenden, um Hunderte von Sensoren wieder mit einem Datenaggregator/Gateway zu verbinden, der dann über WLAN mit einem Standortzugriffspunkt und darüber hinaus mit der Cloud kommuniziert. Es geht darum, das breite Spektrum der verfügbaren Technologien, oft in nahtloser Kombination, optimal zu nutzen, um die besten Ergebnisse für die jeweilige Aufgabe zu erzielen.

Favourite things are Family, Music and Judo. Also, I have the ability to retain and quote useless facts, something that pleases me but can annoy others. My engineering hero - Isambard Kingdom Brunel
DesignSpark Electrical Logolinkedin