11 grundlegende drahtlose Netzwerke für das Internet der Dinge

Elektronikingenieure und Anwendungsentwickler, die mit mit dem Internet der Dinge (IoT) verbundenen Geräten und Systemen arbeiten, haben mehrere drahtlose Netzwerke zur Auswahl, aber wie finden Sie die beste Option für jede Anwendung?

Derzeit gibt es viele drahtlose Datenübertragungstechnologien wie Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, 2G/3G/4G usw.
Zu diesen etablierteren Systemen müssen wir neu entstehende Netzwerke wie Thread hinzufügen, eine Alternative im Bereich der Heimautomatisierung, oder Technologien, die das vom digitalen terrestrischen Fernsehen freigesetzte „weiße Band“ nutzen, um IoT-Zugangslösungen in großen Gebieten zu implementieren.
Je nach Anwendung bestimmen Faktoren wie Reichweite, Übertragungsgeschwindigkeit, Sicherheit, Leistung und Autonomie, welches die beste Alternative bei der Wahl des einen oder anderen drahtlosen Netzwerks ist. Hier sind einige der wichtigsten Kommunikationstechnologien, aus denen Entwickler wählen können:

ZigBee

ZigBee ist eine drahtlose Technologie, die sich mehr auf Heimautomatisierung und industrielle Anwendungen konzentriert. Die Profile ZigBee PRO und ZigBee Remote Control (RF4CE) basieren auf dem IEEE 802.15.4-Protokoll, einer drahtlosen Netzwerktechnologie, die bei 2,4 GHz in Anwendungen arbeitet, die eine Kommunikation mit niedriger Datenrate innerhalb abgegrenzter Bereiche mit einer Reichweite von 100 Metern erfordern, wie z Häuser oder Gebäude.
ZigBee/RF4CE hat einige bedeutende Vorteile, wie z. B. geringer Stromverbrauch in komplexen Systemen, überlegene Sicherheit, Robustheit, hohe Skalierbarkeit und die Fähigkeit, eine große Anzahl von Knoten zu unterstützen. Somit ist es eine Technologie, die gut positioniert ist, um bei drahtlosen Steuerungs- und Sensornetzwerken in IoT- und M2M-Anwendungen den Weg zu weisen.
Die neueste Version von Zigbee ist 3.0, sie wurde kürzlich veröffentlicht und ist im Grunde die Konsolidierung von Zigbee zu einem einzigen Standard.

• Standard: ZigBee 3.0 basierend auf IEEE 802.15.4
• Frequenz: 2.4 GHz
• Reichweite: 10-100m
• Übertragungsrate: 250 kbps

W-Lan

WiFi-Konnektivität ist in der Regel die offensichtliche Wahl für Entwickler angesichts der Allgegenwart von WiFi in privaten und geschäftlichen Umgebungen: Es gibt jetzt bereits eine umfangreiche Infrastruktur, die Daten schnell überträgt und große Datenmengen verarbeitet. Derzeit ist 802.11n der am weitesten verbreitete WLAN-Standard, der in Haushalten und vielen Unternehmen verwendet wird, und bietet eine erhebliche Leistung im Bereich von Hunderten von Megabit pro Sekunde, die sich gut für Dateiübertragungen eignet, aber zu viel Strom für die Entwicklung von Anwendungen verbraucht.

• Standard: Basierend auf 802.11n
• Frequenz: 2,4 GHz und 5 GHz
• Reichweite: ca. 50m
• Übertragungsgeschwindigkeit: bis zu 600 Mbit/s, üblich sind jedoch 150-200 Mbit/s, abhängig vom verwendeten Frequenzkanal und der Anzahl der Antennen (Standard 802.11-ac bietet von 500 Mbit/s bis 1 Gbit/s)

Bluetooth

Bluetooth ist eine der etabliertesten Technologien zur Datenübertragung im Nahbereich und sehr wichtig im Bereich der Unterhaltungselektronik. Es wird erwartet, dass es der Schlüssel zur Entwicklung tragbarer Geräte sein wird, da es den Aufbau von IoT-Verbindungen ermöglichen wird, wahrscheinlich über ein Smartphone.
Das neue Bluetooth Low Energy, auch bekannt als Bluetooth LE oder Bluetooth Smart, ist ein weiteres wichtiges Protokoll für die Entwicklung von IoT-Anwendungen. Es zeichnet sich durch eine ähnliche Reichweite wie die normale Bluetooth-Technologie bei deutlich reduziertem Stromverbrauch aus. Beachten Sie jedoch, dass Bluetooth LE nicht für die Übertragung von Dateien ausgelegt ist und sich eher für Chunks eignet. Aus Sicht von Geräten für den persönlichen Gebrauch hat sie gegenüber anderen Technologien den großen Vorteil des hohen Integrationsgrades dieser Technologie in Smartphones und mobile Geräte. Laut der Bluetooth Special Interest Group (SIG) sollen bis 2018 mehr als 90 Prozent der Smartphones Bluetooth „Smart Ready“ sein.
Geräte, die Bluetooth Smart verwenden, enthalten den Bluetooth-Core in der Version 4.0 (oder höher – die neueste Version von Ende 2014 ist 4.2), die eine grundlegende Datenübertragung mit einer Konfiguration mit niedrigem Verbrauch kombiniert. Es ist wichtig zu beachten, dass Version 4.2 dank der Einbindung des Internet Protocol Support Profiles Ihnen ermöglicht, sich direkt mit dem Internet über IPv6/6LoWPAN zu verbinden. Dies macht es einfach, die vorhandene IP-Infrastruktur zu verwenden, um Edge-Computing-basierte Bluetooth Smart-Geräte zu verwalten.

• Standard: Bluetooth 4.2
• Frequenz: 2,4 GHz (ISM)
• Reichweite: 50-150m (Smart/LE)
• Übertragungsrate: 1Mbps (Smart/LE)

Thread

Das derzeit innovativste Netzwerkprotokoll auf Basis von IPv6 ist Thread. Es wurde für die Heimautomatisierung entwickelt, basiert auf 6LowPAN und ist somit kein IoT-Anwendungsprotokoll wie Bluetooth oder ZigBee. Es wurde als WiFi-Add-On entwickelt, da die Wi-Fi-Technologie zwar auf Consumer-Geräten hervorragend funktioniert, aber bei der Verwendung in Heimautomatisierungs-Setups Einschränkungen aufweist.
Dieses gebührenfreie Protokoll wurde Mitte 2014 von der Thread Group veröffentlicht und basiert auf verschiedenen Protokollen wie IEEE 802.15.4, IPv6 und 6LoWPAN.
Es ist eine robuste IP-basierte Lösung für IoT-Anwendungen.
Thread wurde entwickelt, um auf bestehenden IEEE 802.15.4-Chips von Herstellern wie Freescale und Silicon Labs zu arbeiten, und unterstützt Mesh-Topologie-Netzwerke mit IEEE802.15.4-Funktransceivern, die bis zu 250 Knoten mit hoher Authentifizierung und Verschlüsselung verarbeiten können.
Ein relativ einfaches Software-Upgrade ermöglicht es Benutzern, Thread auf Geräten zu verwenden, die bereits IEEE 802.15.4 unterstützen.

• Standard: Thread, basierend auf IEEE802.15.4 und 6LowPAN
• Frequenz: 2,4 GHz (ISM)
• Geltungsbereich: N/A
• Übertragungsrate: N/A

Mobilfunknetz

Jede IoT-Anwendung, die in großen Gebieten funktionieren muss, kann von den Vorteilen der GSM/3G/4G-Mobilkommunikation profitieren.
Das Mobilfunknetz kann große Datenmengen übertragen, insbesondere über 4G, obwohl der Stromverbrauch und die Verbindungskosten für viele Anwendungen zu hoch sein könnten.
Es kann jedoch ideal für Projekte sein, die Sensoren integrieren und keine sehr große Bandbreite benötigen, um Daten über das Internet zu senden.

• Standards: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
• Frequenzen: 900 / 1800 / 1900 / 2100
• Reichweite: bis zu 35 km für GSM; bis zu 200 km für HSPA
• Übertragungsrate (typischer Download): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE) 

Neul

Das Konzept dieses Systems ähnelt dem von Sigfox und arbeitet im Sub-1-GHz-Band. Neul nutzt kleine Fragmente des "weißen Bandes" von Fernsehsendern, um eine hohe Skalierbarkeit, eine breite Abdeckung und niedrige Kosten anzubieten.
Dieses System basiert auf dem Iceni-Chip, der über das „weiße Band“ des Funkgeräts kommuniziert, um auf das hochwertige UHF-Spektrum zuzugreifen. Aufgrund der Umstellung vom analogen auf das digitale Fernsehen ist es bereits verfügbar.
Die verwendete Kommunikationstechnologie heißt Weightless, eine neue erweiterte drahtlose Netzwerktechnologie, die für IoT-Anwendungen entwickelt wurde und mit GPRS-, 3G-, CDMA- und LTE-WAN-Lösungen konkurriert.
Die Datenübertragungsrate kann auf derselben Verbindung von einigen Bits pro Sekunde bis zu 100 Mbit/s reichen. Aus verbrauchstechnischer Sicht verbrauchen die Geräte nur 20 bis 30 mA, dh 10 bis 15 Jahre Autonomie mit 2 AA-Batterien.
Um diese Technologie nutzen zu können, muss die getroffene Entscheidung über die Nutzung von Softband-Frequenzen berücksichtigt werden.
In diesem Sinne hat die Regulierungsbehörde Ofcom im Vereinigten Königreich beschlossen, dieses Band ohne Lizenz zur Nutzung freizugeben.

• Norm: Neul
• Frequenz: 900 MHz (ISM), 458 MHz (UK), 470–790 MHz (Leerzeichen)
• Reichweite: 10km
• Übertragungsrate: Von wenigen bps bis zu 100 kbps

6LoWPAN

6LowPAN (IPv6 Low-Power Wireless Personal Area Network) ist eine sehr wichtige IP-basierte drahtlose Technologie. Anstatt eine IoT-Anwendungsprotokolltechnologie wie Bluetooth oder ZigBee zu sein, ist 6LowPAN ein Netzwerkprotokoll, das Header-Komprimierungs- und Kapselungsmechanismen ermöglicht. Diese Technologie bietet Freiheit bei Frequenzband und physikalischer Schicht, sodass sie über mehrere Kommunikationsplattformen wie Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 und Sub-1-GHz-ISM verwendet werden kann.
Ein Schlüsselmerkmal ist die Einführung des IPv6-Stacks (Internet Protocol Version 6), eine Schlüsselinnovation bei der Weiterentwicklung des IoT in den letzten Jahren, da IPv6 weltweit ungefähr 5 x 1028 IP-Adressen bietet, sodass jedes Objekt oder eingebettete Gerät seine eigene Einzigartigkeit hat IP-Adresse für die Verbindung zum Internet.
Es wurde speziell für die Haus- und Gebäudeautomation entwickelt, indem es einen grundlegenden Transportmechanismus bereitstellt, um komplexe Steuerungssysteme und Geräteverbindungen auf wirtschaftliche Weise über ein drahtloses Netzwerk mit geringem Stromverbrauch herzustellen.
6LowPAN wurde entwickelt, um IPv802.15.4-Pakete über IEEE 6-Netzwerke zu senden und dann höhere Protokolle wie TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT und Websockets zu implementieren. XNUMXLowPAN ist ein robustes, skalierbares und selbstheilendes Mesh-Topologie-Netzwerk. Router können an andere Geräte gesendete Daten weiterleiten, während Hosts lange Zeit im Leerlauf sind.

• Norm: RFC6282
• Frequenz: Anpassbar an mehrere physikalische Schichten wie Bluetooth Smart (2.4 GHz), ZigBee oder Niedrigenergie-HF-Kommunikation (unter 1 GHz)
• Geltungsbereich: N/A
• Übertragungsrate: N/A

LoRaWAN

Diese Technologie ähnelt in mancher Hinsicht Sigfox und Neul. LoRaWAN wurde entwickelt, um Wide Area Networks (WANs) mit spezifischen Eigenschaften zu implementieren, um mobile, bidirektionale, kostengünstige und sichere Kommunikation für IoT, M2M, Smart Cities und industrielle Anwendungen zu unterstützen.
Optimiert für geringen Stromverbrauch und zur Bereitstellung riesiger Netzwerke mit Millionen und Abermillionen von Geräten, reichen seine Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 0,3 kbps bis 50 kbps.

• Standard: LoRaWAN
• Häufigkeit: Verschiedene
• Reichweite: 2-5 km (städtische Umgebung), 15 km (ländliche Umgebung)
• Übertragungsrate: 0,3-50 kbps.

Z-Wave

Z-Wave ist eine Low-Power-RF-Technologie, die ursprünglich für Heimautomatisierungsprodukte wie Beleuchtungssteuerungen und Sensoren entwickelt wurde. Optimiert für die zuverlässige Kommunikation kleiner Datenpakete mit niedriger Latenz erreicht es Datenraten von bis zu 100 kbit/s, arbeitet im Sub-1-GHz-Band und ist robust gegenüber Störungen durch Wi-Fi und andere drahtlose Technologien in Reichweite. 2,4 GHz als Bluetooth oder ZigBee. Es ist vollständig kompatibel mit Mesh-Topologie-Netzwerken, benötigt keinen Koordinatorknoten und ist hochgradig skalierbar, sodass bis zu 232 Geräte gesteuert werden können.
Z-Wave verwendet ein einfacheres Protokoll als andere Technologien, was eine schnellere Entwicklung ermöglicht, aber der einzige Hersteller kompatibler Chips ist die Firma Sigma Design, verglichen mit der Vielzahl von Unternehmen, die Produkte anderer drahtloser Technologien wie ZigBee oder Bluetooth anbieten.

• Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
• Frequenz: 900 MHz (ISM-Band)
• Reichweite: 30m
• Übertragungsrate: 9,6/40/100kbit/s

NFC

NFC (Near Field Communication) ist eine Technologie, die zwei simultane Wege der sicheren Interaktion zwischen elektronischen Geräten ermöglicht, die sich besonders für Smartphones eignen und es Verbrauchern ermöglichen, Zahlungstransaktionen durchzuführen, auf digitale Inhalte zuzugreifen und elektronische Geräte zu verbinden, alles ohne Kontakt. Im Wesentlichen erweitert es die kontaktlosen Fähigkeiten von Chipkarten, indem es Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und aktive und passive Betriebsmodi ermöglicht.

• Norm: ISO/IEC 18000-3
• Frequenz: 13.56 MHz (ISM)
• Reichweite: 10cm
• Übertragungsgeschwindigkeit: 100–420 kbps

Sigfox

Eine reichweitenstarke Alternative ist Sigfox, das in Sachen Reichweite irgendwo zwischen WLAN und Mobilfunk angesiedelt ist. Es verwendet ISM-Bänder, die ohne den Kauf von Lizenzen verwendet werden können.
Sigfox erfüllt die Anforderungen vieler M2M-Anwendungen, die mit einem kleinen Akku betrieben werden und nur eine geringere Datenübertragung benötigen, wo WLAN zu kurz kommt und die mobile Kommunikation sehr teuer ist und zu viel Strom verbraucht.
Sigfox verwendet eine Technologie namens Ultra Narrow Band (UNB), die für niedrige Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 bis 1.000 Bit pro Sekunde ausgelegt ist.
Es verbraucht nur 50 Mikrowatt (Mobilfunk verbraucht 5.000 Mikrowatt) und kann mit einem 20-Ah-Akku 2.5 Jahre Stand-by halten (0,2 Jahre im Mobilfunk).
Es wurde bereits in Tausenden von angeschlossenen Objekten implementiert und das Netzwerk wird in den wichtigsten Städten Europas installiert.
Diese Technologie ist robust, energieeffizient und funktioniert als skalierbares Netzwerk, das mit Millionen mobiler Geräte über viele Quadratkilometer hinweg kommunizieren kann. Somit eignet es sich für M2M-Anwendungen wie: Smart Meter, medizinische Monitore, Sicherheitsgeräte, öffentliche Beleuchtung und Umweltsensoren.
Das Sigfox-System verwendet drahtlose Transceiver, die im Sub-1-GHz-Band arbeiten und außergewöhnliche Leistung, größere Reichweite und minimalen Verbrauch bieten.

• Standard: Sigfox
• Frequenz: 900MHz
• Reichweite: 30–50 km (ländliche Umgebung), 3–10 km (städtische Umgebung)
• Übertragungsrate: 10-1000 bps