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Überblick über die drahtlosen Funktechnologien für das IoT

Von Walter N. Maclay, Präsident, Voler Systems

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Das Internet der Dinge (IoT) ist in der modernen Welt sowohl bekannt als auch unbekannt. Es ist ein gebräuchlicher Begriff für Personen in der Tech-Industrie und der Unternehmenswelt, wird aber nur selten von der allgemeinen Bevölkerung gehört, obwohl es Teil ihres täglichen Lebens ist. IoT ist die Vernetzung von physischen Objekten wie Geräten, Fahrzeugen, Gebäuden, Elektronik und Netzwerken, die es ihnen ermöglicht, zu interagieren, Daten zu sammeln und Daten untereinander auszutauschen. Es wird für Millionen von verschiedenen Dingen verwendet, einschließlich aktualisierter traditioneller Produkte, die bisher nicht mit dem Internet verbunden waren.

Dieser Artikel wirft einen Blick auf die vielen Möglichkeiten, wie diese Geräte drahtlos kommunizieren können.

Drei Wege, um Daten in die Cloud zu übermitteln

Eine Herausforderung des IoT besteht darin, Daten vom Sensor des Geräts in die Cloud zu bringen, wo diese Daten verwendet, verarbeitet und gespeichert werden. Die allgegenwärtige Nutzung von Wi-Fi und Bluetooth durch Smartphones, zusammen mit der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Mobilfunkmasten und öffentlichen Wi-Fi-Zugangspunkten, bietet mehr Zugang zur Cloud für IoT-Sensoren als je zuvor. Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten, Daten in die Cloud zu übermitteln.

Vom Sensor zum Gateway zur Cloud. In einigen Anwendungen ist es optimal, die Sensordaten an ein Gateway zu senden, das die Daten dann effizient an die Cloud überträgt. Je nach den Anforderungen der Anwendung kann das Gateway von einfachen Relaissystemen bis hin zu „intelligenten“ Plattformen reichen, die rechenintensivere Funktionen, das sogenannte „Edge Processing“ (Verarbeitung am Netzwerkrand), ausführen. Geräte wie Parkplatzsensoren und Schreibtischnutzungssensoren sind typischerweise auf Gateways angewiesen, um Daten zu übertragen. Wi-Fi ist ein Beispiel für ein Gateway-System. Für die Verwendung im Haus müssen Sie ein Wi-Fi-Gateway installieren. An öffentlichen Standorten, an denen das Gateway bereits installiert ist, arbeitet Wi-Fi direkt mit der Cloud. Andere Arten der drahtlosen Kommunikation, wie z. B. Bluetooth, erfordern ebenfalls ein Gateway. Ein Beispiel für Wi-Fi im Haushalt ist „Hatch Baby Grow“, eine intelligente Wickelauflage mit verbundener Waage. Es verwendet Wi-Fi, um Daten von der Waage in der Wickelauflage an das heimische Internet zu übertragen. Die Eltern und der Kinderarzt können die cloudbasierten Informationen über eine Android- oder iOS-Anwendung verfolgen.

Vom Sensor zum Handy zur Cloud. In einigen Fällen kann das Gateway ein Mobiltelefon sein. Smartphones mit Wi-Fi- oder Bluetooth-Fähigkeit fungieren als Gateways, um Daten an die Cloud zu senden. So war Voler beispielsweise an der Entwicklung von Ohrhörern beteiligt, die ältere Menschen auf ihr Gleichgewicht hin überwachen. Sie verfügen über eine drahtlose Bluetooth-LE-Übertragung an ein Smartphone, für das es eine entsprechende App gibt. Die Daten werden auch vom Smartphone an die Cloud gesendet, wo sie weiterverarbeitet und mit anderen geteilt werden können.

Vom intelligenten Gerät direkt in die Cloud. Der Sensor kann sich über Technologien wie NB-IoT, LTE-M oder LoRa direkt mit der Cloud verbinden. Diese Technologien übertragen kilometerweit bei sehr geringer Leistung, solange die Datenrate niedrig ist. Sie stellen die Verbindung zum Internet über Geräte her, die normalerweise an Mobilfunkmasten installiert sind. Sie funktionieren ähnlich wie Mobiltelefone, nur dass die Datenrate und die Leistung viel geringer sind. Es fällt eine monatliche Gebühr an, die jedoch in der Regel sehr gering ist.

Zu den Faktoren, die bei der Planung einer drahtlosen IoT-Kommunikationsstrategie zu berücksichtigen sind, gehören: wie viele Daten übertragen werden sollen, wie weit die Datenquelle vom Internet entfernt ist, wie viel Strom benötigt wird und wie hoch die Kosten für den Dienst sind, falls vorhanden. Der weit verbreitete Einsatz von Smartphones und die Wahl zwischen den Funkstandards Wi-Fi oder Bluetooth bieten eine sehr komfortable Vernetzung. Neuere Standards wie NB-IoT und LTE-M eröffnen mehr Möglichkeiten für das zukünftige Internet der Dinge.

Warum werden neue Technologien benötigt?

Das IoT entwickelt sich immer noch weiter. Mit jeder Iteration wird der Stromverbrauch gesenkt, die Reichweiten für die drahtlose Kommunikation werden größer und die Funktionen verbessert. Neue Geräte können die Vorteile der neuen Technologie nutzen und eine bessere Leistung bieten.

Was bei Kompromissen berücksichtigt werden sollte

Jedes Mal, wenn Voler ein Wearable-Gerät oder ein beliebiges batteriebetriebenes Gerät entwirft, verlangen die Kunden dies:

  • Lange Betriebsdauer
  • Übertragen vieler Daten über große Entfernungen
  • Winzige Batterie

Bei diesen konkurrierenden Anforderungen gibt es Kompromisse. Bei der Entwicklung geht es um Kompromisse. Berücksichtigen Sie die erforderliche Systemfunktionalität und treffen Sie die notwendigen technischen Abwägungen, um eine optimale Leistung in Übereinstimmung mit den Systemanforderungen zu erzielen. Es ist wichtig, gleichzeitig ein zufriedenstellendes Benutzererlebnis zu bieten. Das Ergebnis ist ein Design mit den besten Kompromissen unter den vielen Auswahlmöglichkeiten.

Überlegungen zu Kompromissen

  • Datenrate
  • Distanz für die Übertragung
  • Batteriegröße
  • Kosten
  • Lizensiertes vs. unlizensiertes Spektrum
  • Betreiberbereitstellung vs. Kundenbereitstellung
  • Die Dichte der Endgeräte
  • Wo es eingesetzt wird
  • Firmware-Updates
  • Treiber für Ihr Betriebssystem
  • Komponenten-/Modulauswahl
  • Antennen
  • Reifegrad der Technologie

Voler hat vor kurzem mit einem Start-up-Unternehmen zusammengearbeitet, um für das vernetzte Produkt dieses Unternehmens die Batterielebensdauer zu verbessern. Es basierte auf dem impModule™ von Murata mit einem Arm®-Prozessor und einem Wi-Fi-Transceiver. Sie brauchten eine Batterielebensdauer von vielen Wochen, und es war weniger als eine Woche nach dem Prototyping. Voler überarbeitete den Code, um die benötigte Batterielaufzeit zu erreichen. Der ursprüngliche Code funktionierte nicht wie vorgesehen.

Bei der drahtlosen Übertragung müssen drei Dinge verwaltet werden: die zum Senden benötigte Leistung, die Datenrate und die Übertragungsreichweite. Die Wahl des richtigen Funkstandards ist wichtig. Beachten Sie bei der Auswahl eines Funkstandards für das zu entwickelnde IoT-Gerät die folgende Tabelle. In der Tabelle sind die gängigen Funkstandards, die für IoT-Geräte verwendet werden, zusammen mit ihren Eigenschaften aufgeführt.

Tabelle der gängigen Funkstandards und ihrer EigenschaftenTabelle 1: Gängige Funkstandards und ihre Eigenschaften. (Tabellenquelle: Voler)

Verschiedene Funkstandards benötigen sehr unterschiedliche Leistungen. Die erforderliche Leistung ist abhängig von der Datenrate und der Übertragungsdistanz. In Tabelle 1 ist beispielsweise angegeben, dass ein Gerät 120 mW Leistung benötigt, um 100 Datenbits pro Sekunde einen Kilometer weit mit dem Mobilfunkstandard LTE zu übertragen. Bei der Verwendung von Bluetooth LE zur Übertragung über eine Distanz von 1 Meter benötigt ein Gerät jedoch nur 0,15 mW Leistung.

Vergleich der IoT-Funkstandards

Tabelle zum Vergleich der drahtlosen IoT-StandardsTabelle 2: Ein Vergleich der drahtlosen IoT-Standards. (Tabellenquelle: Voler)

Leistungsanforderungen für gängige drahtlose Übertragungsoptionen

Wenn ein Gerät nur Daten bis zu 10 Meter weit übertragen soll, sind BLE und Bluetooth ausreichend. Aber IoT-Geräte für industrielle und kommerzielle Zwecke, wie z. B. Bestandsmanagement oder tragbare Geräte zur Gesundheitsüberwachung, benötigen möglicherweise eine Kommunikation mit größerer Reichweite, wie z. B. NB-IoT oder LTE-M. Wenn ein Gerät viele Daten sendet, wie z. B. eine Videokamera, kann BLE dies nicht verarbeiten. Leistungsstarke Optionen wie Wi-Fi und LTE sind dann erforderlich.

Auf der anderen Seite ermöglichen die Mobilfunkprotokolle NB-IoT und LTE-M IoT-Geräten, Daten mit geringem Stromverbrauch an entfernte Standorte zu übertragen. Das Gleiche gilt für SigFox, das Daten bis zu 50 Kilometer weit übertragen kann. Im Gegensatz zu Mobilfunkstandards mit einer hohen Datenrate kann SigFox aber nur bis zu 300 Bit pro Sekunde übertragen.

Privates vs. öffentliches Netzwerk

In einem privaten Netzwerk wird ein Gateway von einem Provider für einen oder eine begrenzte Anzahl von Benutzern installiert und überwacht. Ein öffentliches Netzwerk verfügt über ein Gateway, das viele Benutzer gegen Zahlung einer monatlichen Gebühr nutzen können. Ein Beispiel ist der Mobilfunkdienst.

Öffentliche Netzwerke erfordern die Installation von Infrastruktur, wie z. B. Mobilfunkmasten. Mobiltelefone sind beliebt und können aufgrund der weit verbreiteten Installation von Mobilfunktürmen problemlos genutzt werden. SigFox und LoRa haben in den USA nur eine begrenzte Infrastruktur, so dass ein Gerät mit dieser Technologie an den meisten Orten nicht funktionieren würde. LoRa bietet die Möglichkeit eines privaten Netzwerks unter Verwendung eines Gateways.

Im Jahr 2019 hat die Installation der Infrastruktur für NB-IoT und LTE-M den Punkt überschritten, an dem 90 % der Bevölkerung der USA abgedeckt waren. Es nähert sich der Verfügbarkeit der Mobilfunkabdeckung. Obwohl es sie schon seit Jahren gibt, kann diese Technologie endlich in neuen Geräten eingesetzt werden. Auch die Infrastruktur ist in den meisten großen Ländern der Welt vorhanden. Erwarten Sie einen schnellen Anstieg der Nutzung von NB-IoT und LTE-M. Sigfox und LoRa sind bei der Installation von öffentlicher Infrastruktur weit zurück.

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die privaten und öffentlichen Funkoptionen:

Privat

  • Beide Enden der Kommunikation in Privatbesitz
  • Es kann überall installiert werden
  • Unlizenziertes Spektrum
  • Kosten für die Installation von Basisstationen und Endpunkten
  • Keine monatlichen Gebühren

Öffentlich

  • Das Netz gehört einem Betreiber - z. B. ein Mobilfunknetz
  • Funktioniert nur dort, wo Basisstationen vorhanden sind
  • Einfache Nutzung
  • Lizensiertes Spektrum
  • Eine monatliche Gebühr für die Nutzung des Netzwerks

Wann wird die Batterietechnik besser?

Wenn die Batterien besser wären, wären diese Abwägungen einfacher. Die chemische Energiespeicherung nähert sich der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit. Es wird jedoch viel Forschung in Bezug auf höhere Dichte und bessere Sicherheit betrieben.

Wenn Batterien in den letzten 50 Jahren die gleichen Fortschritte gemacht hätten wie Halbleiter, dann hätten Sie eine Batterie von der Größe eines Stecknadelkopfes, die einen Penny kosten würde und Ihr Auto mit Strom versorgen könnte. Unnötig zu sagen, dass diese Technologie nicht einmal annähernd so weit ist und auch nie sein wird. Daher sind die Geräte durch den Platzbedarf für die chemische Speicherung von Energie begrenzt.

Heutige Batterien erreichen etwa 10 % des ultimativen chemischen Energiespeichers, was so etwas wie Benzin wäre. Allerdings hat Benzin ein Problem mit der Sicherheit. Eine andere, effizientere Option ist die Kernenergie, aber auch hier gäbe es ein Sicherheitsproblem, ganz zu schweigen von einem Problem der Tragbarkeit. Es wird in der Zukunft schrittweise Verbesserungen bei Batterien geben, aber die Veränderungen werden langsam sein.

Kostenüberlegungen

Viele Hersteller von IoT-Geräten investieren zu wenig in die Sicherheit, um ihre Produkte erschwinglich zu halten und die Markteinführung zu beschleunigen. Die Integration von Sicherheit während der Entwicklungsphase kann die Kosten und den Zeitaufwand für die Entwicklung erheblich erhöhen. Der Bau von IoT-Geräten mit schwacher IoT-Sicherheit kann jedoch nicht nur für die Kunden, sondern auch für die Marke des Herstellers schädliche Folgen haben - in Form von Produktivitätsverlusten, Rechts-/Compliance-Strafen, Reputationsschäden und finanziellen Verlusten.

Der für IoT-Geräte gewählte Funkstandard kann deren Leistung, Benutzerfreundlichkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit erheblich beeinflussen. Welcher Standard für ein IoT-Gerät am besten geeignet ist, hängt von dessen Anwendung ab. Die Kenntnis des Verwendungszwecks des Geräts kann dabei helfen, die wichtigsten Anforderungen für den Bau des Geräts zu bestimmen, z. B. wie viel Strom es für einen effizienten Betrieb benötigt, wie schnell es Daten übertragen soll und wie lange die Batterie halten muss.

Das Expertenteam von Voler System für die Entwicklung von IoT-Geräten kann einen Entwickler bei der Auswahl des richtigen Funkstandards für IoT-Geräte unterstützen. Wenden Sie sich jetzt an einen IoT-Experten, um mehr über die Auswahl des richtigen Funkstandards für jedes IoT-Gerätedesign zu erfahren.

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Über den Autor

Walter N. Maclay, Präsident, Voler Systems

Walt Maclay, Präsident und Gründer von Strawberry Tree Inc, dba Voler Systems, einer der führenden Elektronikentwicklungsfirmen im Silicon Valley in den USA, hat sich die termin- und budgetgerechte Lieferung qualitativ hochwertiger elektronischer Produkte als oberstes Ziel gesetzt. Das Unternehmen bietet die Entwicklung, Konstruktion, Risikobewertung und Überprüfung neuer Geräte für Anwendungen in der Medizin, Verbraucherelektronik und Industrie. Besonders hervorzuheben ist die Erfahrung von Voler bei der Entwicklung von tragbaren Geräten und IoT-Geräten, bei der es auf sein Know-how in den Bereichen Sensoren und Funktechnologie setzt. Das Unternehmen entwickelte bereits Hunderte von Produkten, darunter medizinische Geräte, tragbare Geräte, Produkte für die häusliche Kranken- und Altenpflege sowie andere medizinische, Verbraucher- und Industriegeräte.

Über den Verlag

Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key