Drahtlose Konnektivität ist der Wegbereiter für Internet of Things (IoT)-Anwendungen.IoT). Es ermöglicht Ihnen, Aktoren und Sensorknoten dort zu platzieren, wo sie benötigt werden, und sie mit Servern und anderen Geräten in der Nähe kommunizieren zu lassen, sobald sie bereit sind. Aber drahtlose Konnektivität gibt es in vielen Formen. Die Wahl des Netzwerkprotokolls mag zunächst verwirrend erscheinen, aber jedes hat Eigenschaften, die für verschiedene Märkte und Anwendungen geeignet sind. Nun, da der Gerätemarkt IoT beginnt zu reifen, einige der Protokolle beginnen auch, eine führende Position einzunehmen, insbesondere für die drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen. Die erste Option ist die Entfernung. Geräte, die in Gebäuden verwendet werden, verwenden häufig Kurzstreckennetzwerke und profitieren von der größeren Einfachheit und dem geringeren Stromverbrauch von Protokollen, die für diese Umgebung kalibriert sind. Normalerweise hat der Installateur Gateways in der Nähe, die Daten ins Internet übertragen.
Sensoren für die intelligente Landwirtschaft oder zur Steuerung öffentlicher Dienste benötigen eine viel größere Reichweite, da jedes Gateway oder jede Basisstation mehrere Kilometer entfernt sein kann. Im Nahbereich dominieren zwei Technologien in der drahtlosen Kommunikation. Beide profitieren von bereits großen Erfolgen auf dem Consumer-Electronics-Markt. Und sie genießen weiterhin ein kontinuierliches Verbesserungsprogramm. Während das übergeordnete Protokoll für telefonzentrierte Personal Area Networks entwickelt wurde, hat die Schaffung von Bluetooth Low Energy die Tür zu einem viel breiteren Anwendungsbereich geöffnet. Früher die Geräte IoT Sie konnten zwischen Nischenprotokollen wie Zigbee für die Heimautomatisierung oder 6LowPAN für die industrielle Automatisierung wählen. Bluetooth Low Energy bietet jetzt 6LowPAN-Kompatibilität und unterstützt mehrere Schlüsselfunktionen, die ursprünglich für Zigbee entwickelt wurden. Eines dieser Features ist das Mesh-Netzwerk. Bluetooth enthält seit 2013 die Scatternet-Option, die es Knoten ermöglicht, zwischen Master- und Slave-Modus zu wechseln, um sie flexibler zu machen.
Beispielsweise könnte ein Smart Node Daten von mehreren einfachen Slave-Geräten sammeln und diese Daten dann an ein Smartphone übertragen, das vorübergehend als Slave fungiert. Die jetzt in Bluetooth verfügbare Mesh-Netzwerkfunktion ermöglicht die kontinuierliche Erweiterung der Reichweite eines einzelnen Gateways, indem Zwischenknoten als Mount-Punkte für Pakete verwendet werden. Bluetooth 5, das im Sommer 2016 veröffentlicht wurde, brachte Verbesserungen, einschließlich der Möglichkeit, Reichweite gegen maximale Datenrate einzutauschen. Durch ein adaptives Protokoll lässt sich die Reichweite bis auf das Vierfache von Bluetooth 4.2 mit einer Datenrate von ca. 125 kb/s erhöhen. Bei direkter Sichtverbindung im Freien beträgt diese Reichweite knapp 200 m. Alternativ kann die maximale Datenrate für Geräte, die dichter beieinander liegen, bis zu 2 Mb/s betragen, obwohl Paket-Overhead typischerweise die maximal erreichbare Nutzdatenrate auf etwa 1,6 Mb/s reduziert. für den Verkehr IoT Hochgeschwindigkeitsdaten bietet Wi-Fi jetzt eine praktikable Option.
Die Transceiver-Kosten sind drastisch gesunken, und die Unterstützung des Protokolls ermöglicht es herkömmlichen Heimroutern, auf das Internet zuzugreifen, anstatt sich auf spezialisierte Gateways zu verlassen. WiFi hat sich von Anfang an darauf konzentriert, mobile Geräte mit hoher Bandbreite zu kommunizieren. Die Verfügbarkeit des 5-GHz-Bands zusätzlich zum 2,4-GHz-Band für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM), das vom ursprünglichen WiFi-Protokoll, Bluetooth, 6LowPAN und Zigbee verwendet wird, bietet Zugriff auf einen weniger überlasteten Teil des HF-Spektrums. Dies ist nützlich für Anwendungen, die eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung erfordern. Mittlerweile gibt es mehrere WLAN-Versionen. Obwohl viele Anwendungen IoTWährend selbst diejenigen, die eine Kommunikation mit hoher Bandbreite für Echtzeit-Audio oder -Video benötigen, ältere WiFi-Varianten verwenden können, lohnt es sich heute oft, auf die 802.11ac-Variante zu standardisieren. Diese Version sendet an mehrere Antennen, die die aggregierte Datenrate im 1-GHz-Band auf mindestens 5 Gb/s erhöhen IoT Diese Unterstützung von 802.11ac trägt dazu bei, die höchstmögliche Datenrate aufrechtzuerhalten, indem sie es Ihrem Router zu Hause oder im Büro ermöglicht, die Vorteile der Antennendiversität voll auszuschöpfen. Der Rückgriff auf ein langsameres, älteres Protokoll kann das gesamte Netzwerk verlangsamen, wenn das Gerät IoT aktiv sein. viele Geräte IoT unterstützt sowohl WLAN als auch Bluetooth, da die Kosten oft nur geringfügig höher sind als bei einem reinen WLAN-Transceiver. Dies kann genutzt werden, um Aufgaben wie die Installation zu vereinfachen. Zum Konfigurieren des Geräts kann beispielsweise eine einfache Bluetooth-Verbindung zu einer auf einem Mobilgerät gehosteten Anwendung verwendet werden.
Nach der Konfiguration kann es geändert werden, um das WiFi-Protokoll für die Datenübertragung zu verwenden. Eine weitere neu erschienene Option ist das DECT mit ultraniedrigem Verbrauch (ULE). Hat den Vorteil gegenüber vielen Nahbereichsprotokollen IoT, ein dediziertes HF-Spektrum anstelle eines gemeinsamen Zugangs zum 2,4-GHz-ISM-Band zu haben. Die Reichweite von DECT ULE kann im Freien auf bis zu 300 m und im Innenbereich auf 50 m erweitert werden. Das DECT-Protokoll ermöglicht die Zusammenarbeit mehrerer Gateways, um die Reichweite eines einzelnen Netzwerks weit über die grundlegenden 300 m hinaus zu erweitern. Obwohl DECT ursprünglich für die drahtlose Telefonie entwickelt wurde, bietet die UE-Version eine Low-Power-Kommunikation für Sensorknoten. IoT. In der Nahbereichsumgebung wird das Gateway normalerweise vom Benutzer gesteuert. In der LPWAN-Umgebung (Low Power Long Range Network) kann das Gateway privat sein, aber der Zugriff kann auch über öffentliche Netzwerke erfolgen. Ein Protokoll, das diese Wahl bietet, ist LoRA. Basierend auf einem Transceiver-Design des Halbleiteranbieters Semtech verwendet LoRA unlizenziertes Spektrum und gibt Benutzern die Möglichkeit, ihre eigenen Gateways bereitzustellen oder ihre Geräte mit Netzwerken von Drittanbietern kommunizieren zu lassen. Einige Städte haben LoRa-basierte Netzwerke eingerichtet, die frei zugänglich sind, und es sind Dienstanbieter entstanden, die den Zugang zu ihren Gateways mieten.
Um Interferenzprobleme durch andere Benutzer im selben HF-Band zu vermeiden, verwendet LoRA ein Spread-Spektrum-Modulationsschema, das Datenraten von 300 b/s bis 50 kb/s unterstützt. Die Reichweite kann bis zu 10 km betragen und durch die Verwendung vergleichsweise niedriger Frequenzen ist es möglich, unterirdisch vergrabene Geräte wie Wasserzähler zu erreichen. Sigfox nutzt die Ultra-Schmalband-Übertragung, um seine Reichweite in ländlichen Gebieten auf bis zu 50 km zu erhöhen. Während LoRA darauf ausgelegt ist, eine bidirektionale Kommunikation zu unterstützen, ist Sigfox für unidirektionale Datenübertragungen mit niedriger Rate optimiert – typischerweise vom Sensorknoten zum Server. Die Datenraten reichen von 10 b/s bis 1 kb/s. Sigfox ist nicht vollständig unidirektional: Das Protokoll unterstützt die Paketbestätigung für den Sensorknoten, um festzustellen, ob eine Kommunikation empfangen wurde, und es unterstützt auch Anwendungen wie Sicherheitsalarme. Ein Vorteil von Sigfox, der sich auf unidirektionale Datenübertragungen konzentriert, besteht darin, dass es dazu beitragen kann, Strom am Sensorknoten zu sparen und so die Batterielebensdauer zu verlängern. Wenn der Knoten nur auf Bestätigungen warten soll, die sehr kurz nach der Übertragung empfangen werden, muss der Knoten nicht in einem regelmäßigen Zyklus aufwachen, um auf Gateway-Downlinks zu horchen.
Während LoRA den Benutzern die Möglichkeit bietet, ihre eigenen Gateways zu steuern, läuft die gesamte Kommunikation in Sigfox über die unternehmenseigenen Gateways. Dies bietet zwar weniger betriebliche Flexibilität, hat aber den Vorteil, dass Benutzern ein einziger Anbieter zur Verfügung steht, der Netzwerkunterstützung in einer Vielzahl von Ländern anbietet. Die Mobilfunkkonnektivität wird bereits häufig für Machine-to-Machine-Anwendungen verwendet. In den letzten Jahren hat die Industrie die grundlegenden GPRS-Angebote um eine Vielzahl von Protokollen erweitert, die sowohl höhere Datenraten als auch Operationen mit geringem Stromverbrauch unterstützen. Ein wesentlicher Vorteil der Mobilfunkkonnektivität besteht darin, dass Netzbetreiber Überlastungen und Interferenzen viel schneller bewältigen können als mit unlizenziertem Spektrum, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit verbessert wird. Die Offenheit der Protokolle selbst bietet ein breites Sortiment an kompatiblen HF-Modulen und -Komponenten.
Die erste Änderung kam mit Enhanced GSM Coverage (ECGSM), das die Fähigkeit von Mobilfunksignalen erhöht, entfernte Knoten zu erreichen oder sich mit Sensorknoten zu verbinden. EC-GSM verarbeitet Signale 20 dB schwächer als Standard-GPRS und unterstützt Datenraten von bis zu 10 kb/s. Das Aufkommen von Long Term Evolution (LTE) hat mehrere Optionen für die Konnektivität mit sich gebracht IoT dank der effizienteren Nutzung des HF-Spektrums durch das 4G-Protokoll. Als erstes kam Cat-M, das Datenraten von 1 Mb/s sowohl für Uplinks als auch für Downlinks mit Halbduplex-Kommunikation unterstützt. Cat-M bietet auch Energiesparverbesserungen. Im Vergleich zum Basisprotokoll LTE, das von Mobiltelefonen verwendet wird, arbeitet Cat-M mit weniger Updates von der Basisstation. Die Häufigkeit der Aktualisierungen kann so weit reduziert werden, dass der Sensorknoten nur etwa alle zehn Minuten aufwachen muss, was die Batterielebensdauer für Geräte, die sich wenig ändernde Bedingungen wie die Bodenfeuchtigkeit überwachen, erheblich verlängert.
El IoT Narrowband Wi-Fi (NBIoT) bietet zusätzliche Verbesserungen für die Energieeffizienz. NBIoT verwendet ein viel schmaleres Übertragungsband als Full-LTE: 1,4 MHz und nicht 20 MHz, was mit einer Reduzierung der Sendeleistung einhergeht, um die Akkulaufzeit weiter zu verlängern. In einem Prozess kontinuierlicher Verbesserungen hat der LTE-Standard Release 14 von 3GPP die Effizienz weiter verbessert und Techniken unterstützt, die es Knoten ermöglichen, sich nach einer Übertragung schnell zu trennen, um Leistungsverluste zu reduzieren. Möglich sind Datenraten von 50 kb/s im Downlink und 20 kb/s im Uplink, bis hin zu 50 kb/s bei Nutzung der Mehrtonsignalisierung im Uplink. Dank der großen Auswahl an anpassbaren Protokollen für z IoTUnabhängig davon, ob sie in Situationen mit kurzer oder langer Reichweite arbeiten, können Entwickler und Integratoren sicher sein, einen zu finden, der zu ihrer Anwendung passt. Unabhängige Modulanbieter wie Murata können Sie über die beste Option für jede Situation beraten und Lösungen anbieten, die auf der besten auf dem Markt erhältlichen Kieselsäure basieren.
