Stephen Hawking hat einmal gesagt: „Seit Millionen von Jahren lebt die Menschheit wie Tiere. Dann passierte etwas, das die Kraft unserer Vorstellungskraft freisetzte. Wir haben reden gelernt. “
Ein ähnlicher revolutionärer Sprung wird derzeit auf dem Gebiet der Technologie beobachtet. Technologie lernt zu kommunizieren. Infolgedessen sind neue analytische Fähigkeiten, Prozesse und Lösungen erschienen. Die Entwicklung von Kommunikationstechnologien ist sehr schnell und reagiert ständig auf die neuesten Anforderungen. Eine der treibenden Kräfte hinter diesen Innovationen ist das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), eine Plattform zum Austausch von Messwerten und zur Übertragung von Fernbefehlen zwischen Technologien, die zuvor unabhängig voneinander gearbeitet haben.
Jetzt sehen wir Autos, die mit Parkplätzen kommunizieren, Bodenfeuchtemessgeräte mit Expertensystemen, die Daten an Mähdrescher übertragen, oder einen Kühlschrank in der Küche, der mit einer Einkaufsliste auf einem Mobiltelefon kommuniziert.
In modernen Städten kann die IoT-Technologie über fast jede Ecke stolpern. Es stellt sich jedoch die folgende Frage: Wie kann eine qualitativ hochwertige Datenübertragung in einer so offenen Umgebung sichergestellt werden, in der es natürlich Städte gibt, in denen Sie häufig eine drahtlose Datenübertragung durchführen müssen?
Eine Wetterstation, die an einem Straßenlaternenpfahl installiert ist, eine Verkehrsverfolgungskamera oder ein medizinisches Alarmarmband mit einem Hilfeknopf am Handgelenk eines Rentners - all dies stellt unterschiedliche Kommunikationsanforderungen.
Derzeit können wir eine der folgenden Kommunikationstechnologien auswählen.
Wifi
Die heute in Haushalten und an öffentlichen Orten am weitesten verbreitete Technologie ist zweifellos Wi-Fi. Diese bewährte, sich ständig verbessernde Technologie eignet sich für die Übertragung großer Datenmengen von verschiedenen Geräten wie Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen oder Tablets. Die Nachteile sind jedoch eine hohe Sendeleistung, eine Überlastung der Endgeräte und ein begrenzter Signalbereich (normalerweise nicht mehr als Hunderte von Metern in offenen Bereichen). Aus diesem Grund wählen wir selten einfache oder Einzweckgeräte, die Wi-Fi verwenden. Auf der anderen Seite ist die Tatsache, dass Wi-Fi nicht genug Reichweite hat, sondern Geschwindigkeit und Datenfluss. Heute sehen wir die ersten Bereitstellungen von Wi-Fi-Mesh-Netzwerken, die in Zukunft zu neuen Anwendungen und einer breiteren Akzeptanz führen könnten. Ein interessantes Beispiel für die Abdeckung des gesamten Territoriums des Landes mit drahtlosem Internetzugang ist Barcelona.
GSM G / 4G-Netze
Dies waren die ersten drahtlosen Massentechnologien. In Städten liegt ihr absoluter Vorteil in der Zuverlässigkeit der Übertragung, der Abdeckung und einer Vielzahl von Geräten. Beispielsweise werden Kommunikationsgeräte über GSM / GPRS zu einer wertvollen Informationsquelle für Verkehrsschätzungssysteme. Ohne dies zu wissen, tauschen Mobiltelefone Verkehrsinformationen mit Diensten wie Google Maps oder Yandex.Maps aus. Die Mängel, die viele hoffen und erwarten, werden bald beseitigt.
Dies liegt daran, dass Netzwerke eine SIM-Karte benötigen. Dies schließt bestimmte Anwendungen aus, bei denen die Verwendung von SIM-Karten beispielsweise aufgrund von Platzmangel nicht möglich ist.
Sigfox
SigFox war ursprünglich französische Technologie, aber heute ist es der am schnellsten wachsende IoT-Betrieb der Welt mit Betrieben in 60 Ländern. Es wurde in erster Linie entwickelt, um eine schnelle und einfache Kommunikation zwischen Touch-Geräten innerhalb ihres drahtlosen Netzwerks zu ermöglichen.
LoRa / LoRaWAN
Neben SigFox ist es wahrscheinlich das am weitesten verbreitete WAN (Wide Area Network). Im Gegensatz zu SigFox hat es jedoch nicht nur einen Betreiber, was bedeutet, dass jeder sein eigenes LoRaWAN-Netzwerk nicht nur entsprechend seinen Anforderungen aufbauen, sondern auch unabhängig bedienen kann. Diese Technologie ist häufig die bevorzugte Wahl für Wasser-, Gas- oder Stromzähler innerhalb desselben Gebäudes oder in größeren Gebäuden. LoRaWAN bietet auch eine energieeffiziente bidirektionale Kommunikation, sodass ein einfacher Sensor mit einer kleinen Batterie Daten für bis zu 10 Jahre übertragen kann. Wie SigFox verfügt auch LoRaWAN über eine gute Signalreichweite, weshalb es häufig in schwer erreichbaren Bereichen ohne GSM-Signal eingesetzt wird.
NB-IoT
NB-IoT wird oft als eine Technologie angesehen, die die meisten Mängel der derzeitigen Wettbewerber behebt. Das größte Problem ist jedoch die begrenzte Bereitstellung, was bedeutet, dass wir nicht genügend Informationen über die Anwendung haben. Diese Technologie hängt von der 4G-Netzabdeckung ab und wird hauptsächlich von bestehenden Telekommunikationsunternehmen verwendet, die bereits über eine Infrastruktur verfügen. Daher können wir eine gute Abdeckung im Innen- und Außenbereich erwarten. Gemäß seiner Spezifikation sollte NB-IoT schneller als LoRa (WAN) laufen und die beste Servicequalität (QoS) bieten. In naher Zukunft verdient die Entwicklung dieser Technologie sicherlich Aufmerksamkeit.
Bluetooth / Bluetooth Low Power
Wie Wi-Fi ist es eine weit verbreitete Technologie. Heute ist jedes Smartphone mit einem Bluetooth-Chip ausgestattet. Es wurde speziell für die Kommunikation über kurze Entfernungen entwickelt. Bluetooth sollte jedoch nicht mit BLE (Bluetooth Low Energy) verwechselt werden. Während herkömmliches Bluetooth in erster Linie für die kontinuierliche Datenübertragung konzipiert wurde, beispielsweise für die Übertragung von Ton in drahtlosen Kopfhörern, konzentriert sich BLE auf die energiearme Datenübertragung in Geräten, die für mehrere Jahre mit Batteriestrom ausgelegt sind. Es wird üblicherweise in sogenannten Beacons verwendet, d.h. in kleinen Sendern, die kontinuierlich Nachrichten senden. Nach der Installation der erforderlichen mobilen Anwendung kann BLE dabei helfen, durch das Einkaufszentrum zu navigieren, die Anzahl der Besucher zu überwachen, die Temperatur im Raum oder den Kohlendioxidgehalt zu messen. BLE wird auch in sogenannten tragbaren Kleidungsstücken wie Fitnessarmbändern verwendet. Sie sind mit Miniaturbatterien ausgestattet und können mit einer einzigen Ladung mehrere Tage oder Wochen arbeiten.
Enocean
Diese drahtlose Technologie verdient besondere Aufmerksamkeit, da sie sich erheblich von anderen unterscheidet. Sie nutzt die sogenannten Energy-Harvesting-Technologien, mit denen sie ohne Kabel, Batterie oder andere Stromquelle arbeiten kann. Es bezieht Energie aus seiner Umgebung mithilfe von Sonnenkollektoren (Licht), thermoelektrischen Modulen (Wärme) oder mechanischen Schaltern (kinetische Energie). Somit leidet er nicht unter dem Nachteil seiner Konkurrenten: der Notwendigkeit eines regelmäßigen Batteriewechsels. Die EnOcean-Technologie eignet sich besonders gut für den Einsatz in Gebäuden, für die sie die größte Produktpalette bietet. Am interessantesten sind Thermostatköpfe, die Energie von Heizkörpern verbrauchen, oder Fenstergriffe, die nach dem Drehen elektronische Geräte aufladen und ein Signal an das Steuerungssystem senden, dass das Fenster geöffnet ist.
Zigbee
ZigBee ist zweifellos eine der beliebtesten drahtlosen Technologien für den Innenbereich. Viele Hersteller haben diese Technologie angepasst, darunter Philips mit seinem HUE- oder IKEA-Beleuchtungssystem mit seinen TRÅDFRI-Geräten. Es hat auch industrielle Anwendungen, zum Beispiel in intelligenten Zählern. Diese Technologie verwendet Drahtgeflecht und hat aufgrund des Ruhemodus, in den das Gerät unter bestimmten Umständen wechseln kann, einen geringen Stromverbrauch und spart so Batteriestrom.
Eigene RF
Implementierungsunternehmen bieten manchmal Lösungen an, die auf ihren eigenen Protokollen basieren, d. H. Protokolle, die normalerweise vom selben Hersteller entwickelt werden und nicht miteinander kompatibel sind oder Protokollkonverter erfordern, um Interoperabilität zu erreichen. Während dies in drahtlosen Heimsicherheitssystemen eine willkommene Funktion ist, vermeiden IoT-Geräte normalerweise die Verwendung solcher Technologien, da sie schwierig oder fast unmöglich sind.
Kombination mehrerer Kommunikationsprotokolle
Einige Anwendungsbereiche können von der Verwendung mehrerer Kommunikationsprotokolle profitieren. Nehmen Sie zum Beispiel Füllstandssensoren, die in Abfallbehältern installiert sind. In der Regel sendet jeder Sensor im Trichter seine Messdaten an das Mastermodul, das als Datenhub dient. Sensoren verwenden das energiesparende Bluetooth Low Energy-Protokoll, um die Kommunikation herzustellen. Das Master-Modul sammelt dann diese Daten und überträgt sie über ein anderes Kommunikationsprotokoll, beispielsweise GSM oder SigFox. Der Hauptvorteil dieser Methode ist die Optimierung der Kommunikationskosten am Ausgang.
Drahtloser Stromverbrauch
Es gibt Zeiten, in denen die Sensoren an schwer zugänglichen Stellen installiert werden oder wenn ein häufiger Batteriewechsel unerwünscht erscheint, da dies die Wartungskosten erhöht. Daher ist es bei der Suche nach der richtigen Technologie wichtig zu berücksichtigen, wie sich die folgenden Faktoren auf die Batterielebensdauer auswirken:
- Datenrate;
- Der Dämpfungspegel des Übertragungssignals;
- Die Signalstärke des Übertragungsgeräts.
Eine andere Datenübertragungsrate ist erforderlich als bei einem intelligenten Wasserzähler oder wenn beispielsweise der maximale Stromverbrauch für 15 Minuten gemessen wird. Andererseits kann eine Wetterstation im Stadtzentrum, die mit Staubsensoren oder NOx- oder Sox-Emissionssensoren ausgestattet ist, nur dann Daten übertragen, wenn sie die Grenzwerte überschreitet. Hersteller von Universalsensoren fügen ihren Geräten eine Schlaffunktion hinzu, die den Sensor im Energiesparmodus hält, ihn beispielsweise 4 Stunden lang einmal aufweckt und dann kürzlich gemessene Daten überträgt. Mit einigen drahtlosen Technologien können Sie die Übertragungsleistung ändern, was sich direkt auf den Stromverbrauch auswirkt.
Kommunikationsnetzwerke verwenden normalerweise eine Sterntopologie, d.h. Sie haben einen Hauptsender / -empfänger, der als Kanal fungiert und Nachrichten zwischen allen Netzwerkkomponenten (z. B. Wi-Fi, GSM, SigFox usw.) überträgt. In einigen Bereitstellungsbereichen finden sich jedoch zunehmend Mesh-Netzwerke. Dies ist ein Netzwerk, dessen Teilnehmer - die sogenannten Knoten - Daten direkt austauschen, während sie auch Nachrichten von ihren "benachbarten" Knoten weiterleiten können. Mit zunehmender Anzahl der daran beteiligten Netzwerkknoten steigt daher auch die Reichweite und häufig die Zuverlässigkeit. Das Netz ist jedoch möglicherweise nicht die ideale Wahl für die Fernkommunikation, da möglicherweise eine große Anzahl von Knoten verwendet werden muss, was automatisch zu einer Verlangsamung der Datenübertragung führt. Um einen optimalen Kommunikationskanal sicherzustellen, ist die korrekte Platzierung des Knotens ein weiterer Aspekt, der beim Entwurf und Aufbau eines Netzwerks berücksichtigt werden muss.