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Wie kommunizieren IoT-Geräte?

IoT-Geräte (Internet of Things) kommunizieren auf Dutzende verschiedene Arten und mit Hunderten von verschiedenen Protokollen. Das liegt daran, dass die Art und Weise, wie sie kommunizieren, davon abhängt, was sie sind, wo sie sich befinden, mit welchen anderen Geräten und Systemen sie kommunizieren müssen, und was sie zu sagen haben. Es gibt kein einzelnes bestes Protokoll, das im Wesentlichen die gemeinsame "Sprache" ist, die verwendet wird, um Nachrichten von einem IoT-Gerät zum anderen zu leiten. Die richtige Wahl hängt immer von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.
 
Es gibt auch Einschränkungen, die berücksichtigt werden müssen. Wie hoch ist das Energiebudget des Geräts? Was sind die Kostenbeschränkungen? Was sind die Anforderungen an die physische Größe, die Sicherheit, die Markteinführungszeit, die geografischen Regionen und die Fernwartung? In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die eingebetteten Komponenten eines IoT-Kommunikationssystems und diskutieren, wie unterschiedliche Bedürfnisse und Kontexte die beste Lösung für jeden Anwendungsfall bestimmen.
 

Komponenten für die IoT-Gerätekommunikation

IoT-Systeme gibt es zwar in vielen verschiedenen Architekturen, aber die meisten beinhalten die folgenden Komponenten:
  1. IoT-Gerät - alles vom kleinsten Temperatursensor bis zum riesigen Industrieroboter
  2. Lokale Kommunikation - die Methode, die das Gerät verwendet, um mit benachbarten Geräten zu sprechen
  3. Anwendungsprotokoll - der Rahmen, der definiert, wie Informationsinhalte transportiert werden
  4. Gateways - übersetzen und senden Informationen weiter, typischerweise verbinden sie lokale Gerätenetzwerke mit dem Internet
  5. Netzwerkserver - Systeme, die die Annahme und Übertragung von IoT-Daten verwalten und sich typischerweise in Cloud-Rechenzentren befinden
  6. Cloud-Anwendungen - verarbeiten IoT-Daten zu nützlichen Informationen, die den Benutzern präsentiert werden können
  7. Benutzeroberfläche - wo Menschen IoT-Informationen sehen, sie manipulieren und Befehle an IoT-Geräte zurückgeben

IoT-Geräte

Wenn wir über IoT-Geräte sprechen, meinen wir in der Regel Dinge wie Umweltsensoren, vernetzte Geräte, Fahrzeug-Tracker oder sogar Fließbandmaschinen. Während ein IoT-Gerät wohl jedes elektronische Gerät ist, das mit dem Internet kommunizieren kann, meinen wir in der Regel keine Mobiltelefone oder Computer für den allgemeinen Gebrauch.
 
Normalerweise konzentrieren wir uns auf Geräte mit einem engeren Zweck, wie z. B. die Steuerung der Beleuchtung in Ihrem Haus oder die Überwachung von Tankfüllständen bei der Herstellung von Chemikalien. Als Beispiel zeigt die folgende Grafik die Konnektivität zwischen einem industriellen Tanksensor mit einer Digi XBee® Funkmodul, die mit einem Gateway kommuniziert, das eine Digi ConnectCore® System auf Modul (SOM).
IoT-Anwendungsdiagramm
 

Verbinden von drahtlosen Geräten

Viele dieser Geräte wurden ursprünglich nicht mit Internetfunktionen entwickelt und müssen mit Nachrüstlösungen modifiziert werden, um vernetzt zu werden. IoT-Funktionen werden jedoch zunehmend direkt in neue Geräte integriert, wo sie die Kosten erheblich senken und die Funktionalität verbessern können.
 
Während IoT-Geräte je nach Bedarf, für den sie geschaffen wurden, variieren, sind einige grundlegende Komponenten fast immer enthalten. Zum Beispiel:
  • In der Regel gibt es einen Sensor, der physikalische Vorgänge wie Bewegung oder ein Wasserleck erkennt.
  • Es kann auch Aktoren geben, die physikalische Veränderungen erzeugen, wie das Einschalten eines Lichts oder das Schließen eines Ventils.
  • Diese Sensoren und Aktoren sind mit einem oder mehreren Mikroprozessoren verbunden, auf denen die Logik läuft, die die IoT-Funktionalität steuert.
  • Als angeschlossenes Gerät muss es mindestens eine Kommunikationskomponente haben, entweder eine Art von Funk oder eine kabelgebundene Kommunikationsmethode wie Ethernet.
  • IoT-Geräte sind oft batteriebetrieben. Daher ist das Energiemanagement ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl von Geräten, der Entwicklung von Funktionen und der Erstellung von Kommunikationsstrategien.
Alle diese Komponenten werden in einem Gehäuse untergebracht, das oft recht klein ist. Je nach Umgebung muss dieses Gehäuse versiegelt und wasserdicht sein, oder es muss stark belüftet sein, um die Wärme abzuleiten. Da IoT-Geräte oft in sehr großen Stückzahlen eingesetzt werden, ist es entscheidend, dass die Kosten stimmen. Jeder Cent zählt, wenn sich diese Centbeträge in Millionenhöhe multiplizieren.
 

Lokale Kommunikationsmethoden und -protokolle

Jedes IoT-Gerät muss kommunizieren. Einige Geräte senden nur Informationen, viele andere senden und empfangen gleichzeitig. Während einige Kommunikationen mit Peer-Geräten direkt sind, müssen Remote-Kommunikationen oft ein Gateway passieren, um an ihr Ziel zu gelangen. Unabhängig davon, wohin die Nachrichten des Geräts gehen müssen, beginnt jede Reise mit einem ersten Schritt.
 
Die folgende Grafik veranschaulicht ein Modell für die drahtlose Kommunikation und wie jeder "Knoten" im drahtlosen Netzwerk eine bestimmte Rolle spielt. Wie Sie in diesem Beispiel, das als "Sternnetz" bezeichnet wird, sehen können, koordiniert ein intelligentes Funkmodul die Kommunikation mit Geräten, die als Router fungieren, und diese leiten die Kommunikation an die Endgeräte weiter.



Das Szenario ändert sich für verschiedene Kombinationen von drahtlosen Geräten und Protokollen. Im folgenden Diagramm sehen Sie, wie Netzwerke so aufgebaut werden können, dass sie sich durch den Einsatz verschiedener Funkprotokolle unterschiedlich verhalten. Welches Protokoll am besten geeignet ist, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, z. B. von der Entfernung zwischen den Kommunikationsknoten im Netzwerk.

IoT-Protokolle und Kommunikationsmethoden


Der erste Schritt oder "Hop" in der IoT-Kommunikation wird entweder drahtgebunden oder drahtlos sein. Bei kabelgebundenen Verbindungen kann ein einfaches serielles Protokoll zum Einsatz kommen. Am häufigsten wird jedoch ein Netzwerksystem wie Ethernet verwendet, das "direkte" Internetprotokoll (TCP/IP) Verbindungen zu einem Netzwerkserver oder einer Cloud-Anwendung ermöglicht. Nachrichten, die über das Internet laufen, werden durch viele verschiedene Geräte geroutet, aber als IoT-Architekten können wir diesen Prozess sicher abstrahieren. Kabelgebundene Verbindungen sind schnell und zuverlässig, aber häufig ist es zu teuer oder unpraktisch, eine physische Verkabelung zu verlegen. Für alles, was mobil ist, kommt eine Verkabelung natürlich nicht in Frage.
 
Die drahtlose Kommunikation für das IoT erfolgt fast immer über Funk, und es gibt Hunderte von Funkprotokollen, aus denen man wählen kann. Einige davon sind sehr beliebt. Im Folgenden finden Sie einen Überblick über einige beliebte Kommunikationsprotokolle:
  • Einige Geräte verwenden Wi-Fi, was viele Vorteile hat, solange die Stromanforderungen erfüllt werden können und die komplexen Verarbeitungs- und Bereitstellungsanforderungen kein Hindernis darstellen. Wi-Fi läuft nativ mit TCP/IP, so dass wir, sobald es konfiguriert ist, von der Komplexität des Internets selbst abstrahieren können.
  • Zigbee und Z-Wave sind die großen Namen im Bereich der Heimautomatisierungsnetzwerke, da sie für die Kommunikation mit geringem Stromverbrauch und niedriger Bandbreite optimiert sind und beide es den Geräten im Haus ermöglichen, direkt miteinander zu kommunizieren, um Geschwindigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Keines der beiden unterstützt direkt das Internetprotokoll, so dass die Kommunikation außerhalb des lokalen Bereichs typischerweise über ein Gateway geleitet wird.
  • Das LoRaWAN-Protokoll wird auch für das IoT mit geringer Bandbreite immer beliebter. Es kombiniert große Reichweite mit sehr geringer Bandbreite und unterstützt kilometerweite Sichtverbindungen für Geräte, die nur sehr kleine Dinge zu sagen haben.
  • Bluetooth und seine stromsparende Schwester BLE sind für einfache IoT-Geräte äußerst beliebt. Beide können nicht sehr weit kommunizieren, daher wird ein weiteres Gerät - oft ein Mobiltelefon - verwendet, um die Nachrichtenübermittlung über große Entfernungen zu erleichtern.
  • Mobilfunk Netzwerke können jetzt problemlos IoT-Geräte aufnehmen. Neue Mobilfunk Protokolle wie Cat-M und NB-IoT ermöglichen es batteriebetriebenen Geräten, monatelang ohne Aufladen zu laufen, im Austausch für eine sehr begrenzte Bandbreite.
  • Andere Protokolle wie 4G LTE und 5G benötigen viel mehr Strom, können aber auch heftigere Daten wie digitales Video verarbeiten.
  • Es gibt auch viele proprietäre Protokolle und Protokolle einzelner Hersteller, die auf einzigartige Entfernungsanforderungen, spezielle Bandbreitenanforderungen, schwierige Funkumgebungen und natürlich auf Kostenoptimierung abgestimmt sind. Es gibt nicht das eine Protokoll, das für alle gilt. Jedes Projekt wird seine eigene beste Lösung haben.
Computer-Netzwerk-Frameworks sind typischerweise in virtuellen Schichten aufgebaut. Die unterste Schicht befasst sich mit dem physikalischen Teil, Drähten oder Funkwellen. Als nächstes folgen die Schichten, die koordinieren, wie Nachrichten gebildet, adressiert, geroutet und bestätigt werden. Diese mittleren Schichten sind faszinierend, würden aber den Rahmen dieser Diskussion sprengen.
OSI-Netzwerkmodell
 Die oberste Schicht verwaltet den Nutzinhalt, der üblicherweise als "Anwendung" bezeichnet wird, wie in der Abbildung des "OSI-Netzwerkmodell.” OSI steht für Open Systems Interconnection, und das Modell ist ein konzeptioneller Rahmen, der die Komponenten oder Schichten der Funktionen eines Netzwerks beschreibt.

Die Anwendungsschicht ist der Ort, an dem die eigentliche Arbeit des IoT erledigt wird, und dies kann auf viele verschiedene Arten geschehen. Ein Standard für die Kommunikation über bestimmte Aufgaben ist unglaublich hilfreich, wenn Geräte von vielen verschiedenen Herstellern zusammenarbeiten müssen, um die Arbeit zu erledigen. Einige drahtlose Protokolle standardisieren die Nachrichtenübermittlung über allgemeine Aufgaben wie Beleuchtungssteuerung, Sicherheit oder Audio-Streaming.
 
Zigbee, Bluetooth und Z-Wave beinhalten alle Anwendungsprotokolle, die eine Standardsprache bereitstellen, so dass z. B. ein Lichtschalter eines Unternehmens drei verschiedene Lampen einschalten kann, die alle von anderen Unternehmen hergestellt wurden.
 
Andere Anwendungsprotokolle sind allgemeiner gehalten. MQTT und CoAP sind beide sehr leichtgewichtige Anwendungsprotokolle, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten standardisieren, ohne die Nachrichtenübermittlung auf bestimmte Aufgaben zu beschränken. Da sie leichtgewichtig sind, verbrauchen sie sehr wenig Bandbreite und damit auch sehr wenig Strom, was sie ideal für batteriebetriebene Geräte macht.
 
Geräte mit mehr Leistung und Bandbreite können RESTful-Kommunikation über HTTP - das Protokoll hinter dem Web - verwenden. Dieses weit verbreitete Framework ist ebenfalls aufgabenunabhängig, aber da es nicht mit Blick auf extreme Effizienz entwickelt wurde, kann es schnell sowohl die Batterien als auch die Bandbreite eines kleinen IoT-Geräts erschöpfen und sollte mit Vorsicht implementiert werden.
 

Gateways

Wenn ein Gerät nicht in der Lage ist, das Internetprotokoll (TCP/IP) direkt auszuführen, leitet es seine Nachrichten normalerweise an ein anderes Gerät weiter, das als Gateway bezeichnet wird. Dieses Gateway verarbeitet und leitet Nachrichten zum und vom Internet weiter.
 
Gateways helfen IoT-Geräten, klein, batteriebetrieben und kostengünstig zu bleiben, da sie typischerweise mehrere Geräte als lokale Basisstation bedienen. Hier sind zum Beispiel einige Szenarien aus der Praxis:
  • Wearable-Geräte mit Bluetooth/BLE nutzen oft ein Mobiltelefon als Gateway zum Internet. Dies funktioniert gut, solange sich das Telefon und die Geräte in der Nähe voneinander befinden.
  • Heimautomatisierungsprotokolle wie Zigbee, Z-Wave und LoRaWAN können nicht direkt von einem Mobiltelefon verarbeitet werden und es würde auch keinen Sinn machen, da Mobiltelefone nicht an einem festen Ort bleiben. Diese Protokolle sowie proprietäre Protokolle verwenden typischerweise eine Gateway-Box, die an das Stromnetz angeschlossen wird und entweder Ethernet, Wi-Fi oder Mobilfunk. Sie empfangen Informationen von Geräten, die ihr eigenes Protokoll verwenden, wie z. B. Zigbee, verarbeiten die empfangenen Daten und leiten sie dann über das Internet weiter.
  • Industrielle Umgebungen, wie z. B. Solarfelder und Windparks, erfordern ein gehärtetes Industrie-Gateway, um die Kommunikation von Geräten, die über das dezentrale Gerätenetzwerk verteilt sind, weiterzuleiten, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
 Dieser "Multi-Hop"-Gateway-Prozess ermöglicht es Geräten mit begrenzten Fähigkeiten, sich mit weit entfernten Standorten zu verbinden, wobei oft eine Abfolge von verschiedenen Protokollen verwendet wird, um die Aufgabe zu erledigen. Gateways verwenden in der Regel Anwendungsprotokolle wie MQTT, REST oder CoAP, um sich mit einem Netzwerkserver oder einer Cloud-Anwendung zu verbinden, die sich in der Regel in einem weit entfernten Rechenzentrum befindet.
IoT-Geräte-Netzwerkdiagramm

Netzwerkserver und Cloud-Anwendungen

Die meisten IoT-Kommunikationen werden zunächst von einer Art Netzwerkserver angenommen und verarbeitet. Bestimmte Protokolle erfordern dies, um Low-Level-Arbeiten wie die De-Duplizierung von redundanten Nachrichten und die Konvertierung spezieller Protokollformate zu erledigen. Selbst wenn ein Protokoll keine zusätzliche Verarbeitung erfordert, ist es unendlich hilfreich, ein System zu haben, das nicht nur die Kommunikation verwaltet, sondern auch die Geräte selbst konfigurieren, sichern und Berichte darüber erstellen kann.
 
Digi Remote Manager Geräte-Management-Plattform






Digi Remote Manager® ist in dieser Rolle führend und konzentriert sich auf die Bereitstellung der besten Cloud-Erfahrung für Benutzer von Digis Modulen, Gateways und Routern. Andere Dienste wie AWS und Azure bieten IoT-Datenverarbeitung mit etwas allgemeinerem Gerätemanagement, und diese Systeme können zusammenarbeiten, um kundenspezifische Lösungen bereitzustellen.
 
Sobald der Netzwerkserver seine Arbeit erledigt hat, werden die Daten in der Regel mit einer Cloud-Anwendung ausgetauscht, die die IoT-Daten in nützliche Informationen umwandelt, sie menschlichen Nutzern zur Verfügung stellt und sie für eine spätere Analyse speichert. Cloud-Anwendungen laufen oft neben anderen Netzwerkdiensten auf Plattformen wie AWS oder Azure. Sie werden üblicherweise mit Sprachen wie Node.js, Python oder Java erstellt und mit einer SQL- oder NoSQL-Datenbank verknüpft, die die Datenflut aus IoT-Geräteflotten verwalten kann.
 
Ein großes Rechenzentrum ist nicht für jedes System eine Voraussetzung. Selbst ein kleiner Hobby-Computer wie der Raspberry Pi kann das meiste von dem leisten, was die Cloud-Giganten anbieten, wenn auch in einem deutlich begrenzten Umfang. In einem lebendigen Netzwerk sind viele miteinander verknüpfte Komponenten am Werk, die dafür sorgen, dass die Daten dorthin gelangen, wo sie gebraucht werden, wenn sie dort ankommen sollen.
  • Cloud-Server beenden den Prozess der Umwandlung von Daten - rohen Fakten über die Welt - in nützliche Informationen.
  • Impulse von Stromzählern werden in Entscheidungen über die Inbetriebnahme von Kraftwerken umgesetzt.
  • Temperaturmesswerte werden in Wettervorhersagen umgewandelt. Die Informationen fließen in beide Richtungen, sodass Cloud-Server auch ausgehende Befehle verwalten, die alles von Ampeln bis hin zu Hühnerstallfütterungen steuern.
Auch wenn all diese Technologie vorhanden ist, ist immer menschliche Interaktion erforderlich. Eine kritische Aufgabe für Cloud-Server ist daher die Bereitstellung der Benutzeroberfläche, die den Menschen in die Schleife bringt.
 

Benutzeroberfläche

Benutzeroberflächen sind der letzte Schritt in der IoT-Kommunikationskette. Sie sind auch der erste Schritt in der Kette für Befehle, die durch das System fließen, damit ein oder mehrere IoT-Geräte sie ausführen können. Es gibt viele Arten von Benutzeroberflächen und eine IoT-Lösung unterstützt oft mehr als eine.
 
Menschen können mit dem System über eine Website, eine mobile Smartphone-App, eine spezielle Desktop-Anwendung oder indirekt über eine API-Integration mit Geschäftsdiensten wie Salesforce interagieren. Nicht alle Interaktionen erfolgen aus der Ferne. Einige IoT-Geräte sind so konzipiert, dass sie den direkten Zugriff und die Konfiguration unterstützen, sei es über einen eingebauten Touchscreen oder sogar nur über einige Schalter. Unabhängig von der Methode ist die Benutzerschnittstelle der Ort, an dem der Gummi auf die Straße trifft. Sie ist der Ort, an dem Menschen den vollen Wert ihrer IoT-Systeme und der von ihnen erzeugten Informationen erschließen.
 

Beispiel Lichtschalter

Hier ist ein einfaches Beispiel für ein Hausautomatisierungssystem, das alle diese Komponenten verwendet. Ein Hausbesitzer möchte seine Esszimmerlampe mit einem lokalen Schalter steuern und außerdem in der Lage sein, das Licht aus der Ferne ein- und auszuschalten. Er wählt ein System, das einen batteriebetriebenen IoT-Wandschalter enthält. Dieser kommuniziert direkt mit den Lampen über das Zigbee-Funkprotokoll.
 
Dieses Protokoll beinhaltet eine speziell für die Beleuchtung entwickelte Sprache. Da Zigbee ein Protokoll mit geringer Bandbreite ist, das wenig Strom verbraucht, ist es auch in der Reichweite begrenzt. Daher wird für den Fernzugriff ein kleines Gateway mitgeliefert. Das Gateway übersetzt die Zigbee-Nachrichten in das MQTT-Anwendungsprotokoll und leitet sie an einen Netzwerk- und Cloud-Server weiter, auf dem die Anwendung des Hausautomatisierungssystems läuft. Diese Cloud-Anwendung kommuniziert zurück zu einer mobilen App, die vom Hausbesitzer verwendet wird. Egal, ob er sich gerade in seinem Haus oder auf einem anderen Kontinent befindet, er kann den aktuellen Status seiner Esszimmerleuchte sehen und sie sofort steuern.

IoT Beispiel Hausautomation

Mehr über Zigbee erfahren Sie auf der Zigbee Mesh-Vernetzung Seite. Zigbee ist eines der vielen Protokolle, die von Digi XBee Funkmodule. Digi produziert ein komplettes Sortiment an Funkmodulen, IoT-Entwicklungskits, Gateways, Mobilfunk Routern und IoT-Fernmanagement. Wenn Sie bereit sind, Ihr eigenes System zu entwerfen, bietet Digi Kundenspezifische Entwicklung die Ihnen helfen können, die richtigen Entscheidungen zu treffen, um den Erfolg der IoT-Kommunikation sicherzustellen.
 
Wenn Sie mehr Hilfe benötigen, ist Digi für Sie da. Kontakt!
 
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