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9 IoT-Funktechnologien erklärt

Um Geräte drahtlos über das Internet zu verbinden, kommt Funk zum Einsatz. Bereits heute gibt es zahlreiche IoT-Funktechnologien, die sich je nach Eigenschaften für bestimmte Anwendungen eignen.

Smart Watches, Kühlschränke, Maschinen, Fahrzeuge aller Arte – nahezu alle Dinge verbinden sich heute mit dem Internet. Das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) ist die Vernetzung von physischen Objekten (Dingen), um zu interagieren, Daten zu sammeln und Daten untereinander auszutauschen.

Diese Dinge sind oft mobil oder an Orten, wo kein kabelgebundenes Internet zur Verfügung steht. Manche dieser Dinge, insbesondere Sensoren, sind so klein, dass eine kabelgebundene Internetverbindung gar nicht erst in Frage kommt. Darum ist Funk oft das sinnvollste Mittel.

Herausforderungen der drahtlosen Übertragung

Bei der drahtlosen Übertragung sind drei Parameter zentral:

• die für die Übertragung erforderliche Leistung
• die Datenrate
• die Reichweite

Wie so oft macht die liebe Physik diese Parameter leider nicht unabhängig voneinander wählbar. Im Prinzip kann man zwei wählen und der dritte ergibt sich daraus. Zum Beispiel ergibt sich bei wenig Leistung und hoher Reichweite eine niedrigere Datenrate. Im Gegenzug führt eine hohe Datenrate bei tiefer Leistung zu einer geringen Reichweite.

Da die Anforderungen der IoT-Geräte sehr unterschiedlich sind, haben sich auch verschiedene drahtlose Technologien entwickelt. Bei Sensoren ist oft der Energieverbrauch entscheidend, da sie meist batteriebetrieben sind und jahrelang mit einer einzigen Batterie auskommen sollen. Hingegen senden sie nur sporadisch und wenig Daten.

Bei Sensoren ist oft der Energieverbrauch entscheidend.

1. Bluetooth Low Energy BLE

Seit Bluetooth 4.0 ist Bluetooth Low Energy (BLE) Teil des Bluetooth-Standards. Wie der Name vermuten lässt, zeichnet er sich vor allen durch den geringen Energieverbrauch aus. So können Geräte innerhalb von nur drei Millisekunden eine Verbindung über eine Reichweite von 100 Metern ins Internet herstellen.

Bei einer geringeren Übertragungsrate kann im freien Feld eine Reichweite von bis zu 200 Metern erreicht werden. Verglichen mit herkömmlichen Bluetooth-Geräten lässt sich mit diesem Standard der Energieverbrauch deutlich senken.

2. Zigbee

Zigbee ist ein in Smart Homes verbreitetes Kommunikationsprotokoll. Diese IoT-Funktechnologie eignet sich zur Übertragung von geringen Datenmengen mit minimalen Energieverbrauch und wird von einigen grossen Herstellern verwendet.

Zigbee arbeitet in den ISM-Bändern 2.4 GHz (weltweit) und 868 MHz (Europa). Entwickelt hat das Protokoll die ZigBee Alliance, die sich heute Connectivity Standards Alliance nennt.

Zu den bekanntesten Herstellern, die Zigbee unterstützen, zählen Philips, General Electric, Huawei, Somfy, Amazon, Ikea, Honeywell, Busch-Jaeger, Jung, Bosch, Samsung, Kärcher, Siemens. Obwohl Zigbee ein offener Standard ist, sind die Geräte verschiedener Hersteller oft nicht miteinander kompatibel.

3. EnOcean

Ein ebenfalls in Smart Homes und Smart Buildings eingesetzter Standard ist EnOcean, ein herstellerübergreifender Standard für batterielose Funksensoren. Diese IoT-Funktechnologie punktet wie Zigbee mit einem sehr niedrigen Energieverbrauch.

EnOcean nutzt das Prinzip des Energy Harvesting (engl. «Engerie-Ernten»). Dabei arbeiten die Sensoren und Schalter überwiegend energieautark und beziehen ihre Energie aus der unmittelbaren Umgebung (Bewegung, Licht, Temperaturdifferenzen usw.).

Die Idee der Enocean-Technologie beruht darauf, dass für das Senden eines kurzen Funksignals nur wenig Energie benötigt wird. Diese kann zum Beispiel durch Piezoelektrizität erzeugt werden kann. Es kommen jedoch auch batteriebetriebene Geräte zum Einsatz. EnOcean verwendet in Europa das 868 MHz Band.

Zigbee, EnOcean oder Z-Wave: In Smart Homes kommen verschiedenste IoT-Funktechnologien zum Einsatz.

4. Z-Wave

Eine weitere, vor allem im Smart Home eingesetzte IoT-Funktechnologie ist Z-Wave. Das weit verbreitete Z-Wave ist vergleichbar mit Zigbee, soll aber eine bessere Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller bieten.

Diese Funktechnologie verwendet das beliebte Frequenzband 868 MHz Band. Auch Z-Wave zeichnet sich durch einen sehr geringen Energieverbrauch aus. Das erlaubt den Einsatz von batteriebetrieben Geräten und Sensoren.

Eine Besonderheit ist, dass Z-Wave eine Mesh-Topologie verwendet, die bis zu 232 Knoten enthalten kann. Dadurch kann sich ein W-Wave-Netz viel weiter erstrecken, als die Reichweite einer einzelnen Einheit.

5. LoRaWAN

LoRaWAN ist die Abkürzung für Long Range Wide Area Network und ermöglicht die energieeffiziente Datenübertragung über grosse Entfernungen. Diese Funktechnologie wurde speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt. Dabei verwendet LoRa in Europa die Funkbänder um 433 MHz und 868 MHz.

Mit LoRaWAN ist es möglich, mehrere hundert Sensoren in einem Netzwerk bis zu 10 Jahre lang ohne Batteriewechsel zu betreiben. Ein LoRaWAN besteht zumindest aus drei Komponenten:

• Node (Sensor)
• Gateway
• LoRa-Server

Der Gateway bildet dabei die Schnittstelle zwischen der energieeffizienten LoRa-Funkübertragung und der leistungsstarken Anbindung zum Server.

Weltweit gibt es bereits viele Anbieter, die öffentliche LoRaWAN-Netze betreiben. Es ist aber auch problemlos möglich, ein privates LoRaWAN zu betreiben. Die Spezifikationen wurden von der LoRa Alliance festgelegt und sind frei verfügbar. Deshalb gibt es auch viele Open-Source-Lösungen, was LoRaWAN zu einer der attraktivsten IoT-Funktechnologien macht.

Viele Wetterstationen in unzugänglichen Gebieten setzen auf LoRaWAN.

6. WiFi HaLow

Aus der «WiFi-Küche» stammt WiFi HaLow oder IEEE 802.11ah. Auch HaLow verwendet, im Gegensatz zu den bekannten WiFi-Standards, das 868 MHz Frequenzband. Die Nutzung des niedrigeren Frequenzbandes erlaubt HaLow eine Reichweite von bis zu 1,5 Kilometer – also fast doppelt so viel wie die bekannten WiFi-Standards auf 2,4 oder 5 GHz.

Das macht HaLow nicht nur für das Smart Home interessant, sondern auch für verschiedene IoT-Szenarien. Dazu gehören beispielsweise Industrieunternehmen, die Landwirtschaft, das Gesundheitswesen oder Smart Cities.

Leider hat HaLow eine lange und mühsame Standardisierungsphase hinter sich und wurde erst 2021 verabschiedet. Deshalb gibt noch kaum Geräte, die HaLow einsetzen. Daher wird sich diese IoT-Funktechnologie wohl kaum im grossen Stil durchsetzen.

7. bis 9. LTE-M, NB-IOT, 5G

Die beiden Mobilfunktechnologien NB-IOT und LTE-M bieten sich für das IoT Anwendungen an, bei denen grössere Reichweiten und höhere Übertragungsraten erforderlich sind. Diese IoT-Funktechnologien sind eher für industrielle Highend- und mobile Anwendungen geeignet, da es dazu ein Netz eines Mobilanbieters braucht und damit entsprechende Kosten verbunden sind.

Dasselbe gilt für 5G, das momentan gerne für IoT-Anwendungen gehypt wird. Zu den Hauptmerkmalen von 5G gehören ein hoher Datendurchsatz, eine zuverlässige Kommunikation und eine geringe Latenz von wenigen Millisekunden.

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