Connectivity und Car-to-X-Kommunikation Bereit für das Internet der Dinge

Mit dem »Internet of Things« (Internet der Dinge) entsteht für Unternehmen die Chance, am rasant wachsenden Internet-Markt zu partizipieren. Neben den Bereichen Konsumgüter, Industrie-, und Medizinelektronik lassen sich auch in der Automobilelektronik mit neuen Systemen ganz neue Märkte erschließen. Hier eröffnen sich durch das IoT unter den Stichworten »Connectivity« und »Car-to-X-Kommunikation« zahlreiche Möglichkeiten.

Am Anfang waren die Großrechner, dann leitete der PC eine regelrechte Revolution in unserem Alltag ein. Das Internet und Smartphones machten schließlich in einer zweiten Welle völlig neue Formen der Kommunikation mit permanenter Anbindung zu allen Computern weltweit möglich. Derzeit rollt mit dem »Internet of Things« (IoT, Internet der Dinge) die dritte datentechnische Revolutionswelle an, die eine weitere fundamentale Umgestaltung unserer Berufs-, Alltags- und Freizeitwelt zur Folge haben wird, deren Chancen und Konsequenzen wir oft noch gar nicht in vollem Umfang erkennen oder absehen.

Was ist mit dem Internet der Dinge eigentlich konkret gemeint?Vereinfacht gesagt erhält dabei (fast) jeder Alltagsgegenstand einen Internet-Anschluss sowie eine eindeutige, weltweit einmalige Internet-Adresse, unter der er von jedem beliebigen Ort beziehungsweise Gerät aus erreichbar ist. Bisher waren ja »nur« Computer, PCs, Smartphones, Tablets aber auch diverse komplexe Maschinen mit dem Internet verbunden. Jetzt geht der Trend dahin, alle Lichtschalter, Leuchten, Sensoren, Klimaanlagen, Autos, Stereoanlagen, Waschmaschinen usw., ja einfach alle Geräte mit einem Internet-Anschluss zu versehen. Ein solches mit dem Internet verbundenes Gerät trägt im Englischen unabhängig von seiner Größe und seiner Funktion die Bezeichnung »Internet Device«.

Im Rahmen des Internet of Things sprechen die Marktexperten gemäß einer Cisco-Studie von 50 Milliarden »Connected Devices« im Jahr 2020. Etwa die Hälfte davon werden keine konventionellen Knoten mehr sein, wobei zu den konventionellen Knoten vor allem Geräte wie Großrechner, PC und Smartphone zählen. Die anderen 25 Milliarden Netzwerkknoten sind in »Things« (Dinge) integriert – und dieser Bereich ist für europäische Unternehmen besonders interessant.

Viel Potenzial für die Industrie

Erstmals kam Connectivity in der uns bekannten Form bei PCs zum Einsatz, danach kamen die Smartphones und Consumer-Geräte wie beispielsweise TV-Geräte mit Internet-Anschluss hinzu. In diesen Märkten sind vor allem Unternehmen aus Nordamerika und Asien aktiv, aber zum Internet der Dinge gehören auch Aspekte wie Industrie 4.0 oder »Connected Cars«, sodass dieses Thema für Europa viel interessanter ist als es das klassische Internet in der Vergangenheit war. Denn das IoT betrifft massiv die Produkte, bei denen europäische Unternehmen weltweit führend sind.

Beispiel Automotive: Durch die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit der Infrastruktur (Bild 1) wird der Verkehr effizienter und vor allem sicherer. Autos können sich gegenseitig vor Staus warnen, ihren Standort und die geplante Route an Leitsysteme melden, die wiederum den Verkehr effizienter managen können. Das Fahrzeug wird aber auch mit der Unterhaltungselektronik verschmelzen. Das Infotainment-System des Autos hat Zugriff auf die Musikdateien des Smartphones, umgekehrt kann dieses zum Fahrzeugschlüssel werden und automatisch die richtige Sitzposition einstellen.

Autos als multifunktionale Sensoren

Laut den Experten liegt die Zukunft des Individualverkehrs vor allem angesichts der weiter wachsenden Verkehrsbelastung in der gegenseitigen elektronischen Vernetzung aller Verkehrsteilnehmer. Um künftig Staus zu vermeiden und Unfälle zu verhindern, werden Autos mit ihren zahlreichen Sensoren Daten und Informationen sammeln (Bild 2) und über die so genannte »Car-to-X-Kommunikation« weitergeben. Dabei tauschen die Fahrzeuge beispielsweise Informationen zur genauen Position und Geschwindigkeit im Nahbereich von mehreren hundert Metern aus und kommunizieren mit der Verkehrsinfrastruktur wie zum Beispiel Verkehrsleitsystemen oder Ampeln.

So könnte ein Datensender, der mit einer Ampelanlage verbunden ist, den Fahrer darüber informieren, welche Geschwindigkeit er einhalten muss, um entlang seiner Strecke eine grüne Welle ausnutzen zu können. Dies hätte zahlreiche Vorteile wie etwa einen besseren Verkehrsfluss, mehr Komfort für den Fahrer, einen geringeren Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen. Ein derartiges System könnte den Fahrer auch vor dem Überfahren eines Rotlichts warnen. Im Fahrzeug wertet der Ampelphasenassistent die empfangenen Daten aus. Auch auf der Autobahn versprechen sich Experten erhebliche Vorteile: Sensoren und Kameras erfassen permanent die jeweils aktuelle Situation auf den Straßen, den Verkehrsfluss genauso wie etwaige Hindernisse und das Wetter. Mit Car-to-X-Technologie ausgestattete Fahrzeuge »schwimmen« im normalen Straßenverkehr mit und liefern in Echtzeit wertvolle Daten an die Verkehrszentrale und an andere Fahrzeuge. Das Fahrzeugsystem analysiert die empfangenen Informationen, um dem Fahrer Auskunft über die aktuellen Verkehrsbedingungen zu geben und ihn zu warnen, wenn er sich in einer potenziell gefährlichen Situation befindet.

So erhalten Autofahrer gegebenenfalls eine Meldung, dass hinter der nächsten Kurve das Ende eines Staus liegt. Und bei einem Unfall werden andere Fahrzeuge im Umkreis der Gefahrenstelle per Knopfdruck oder automatisch gewarnt. Parallel gehen die exakten, per GPS erfassten Koordinaten des Unfallortes an die nächste Rettungsleitstelle, die umgehend Rettungsmaßnahmen veranlassen kann und ihrerseits umgehend per Digitalfunk weiteren Autofahrern die Unfallsituation signalisiert.

Grundsätzlich ist die Technologie dazu nicht nur bereits entwickelt, sondern auch reif für die Praxis. Im Rahmen des Forschungsprojektes »simTD« wurde in einem der weltweit größten Feldversuche zur Car-to-X-Kommunikation deren Alltagstauglichkeit nachgewiesen. Mit Car-to-X-Technik ausgestattete Fahrzeuge haben ein deutlich größeres »Sichtfeld« als herkömmliche Fahrzeuge. Der so vergrößerte telematische Horizont bringt einen enormen Mehrwert – sowohl für Privatkunden als auch für die öffentliche Hand. Denn der Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen untereinander sowie zwischen Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur kann einen deutlichen Beitrag zur Erhöhung von Sicherheit, Komfort und Effizienz im Straßenverkehr leisten.

Mobiltelefon auf vier Rädern

Fahrzeughersteller und Mobilfunkanbieter arbeiten intensiv daran, das Auto zu einem aktiven Teilnehmer im Internet of Things zu machen. Das geht weit über den Austausch von Musikdateien zwischen Smartphone und Auto-Musikanlage hinaus. Die Vernetzung des Autos ermöglicht völlig neue Applikationen, für die das europäische Notrufsystem eCall nur ein Beispiel ist. Der moderne Mensch von heute ist zu jeder Zeit »online«. Soziale Netzwerke sind kaum mehr wegzudenken, die Nutzung von Apps ist zentraler Bestandteil der digitalen Lebenswelt geworden. Ob das Smartphone, der heimische PC, der Fernseher – all diese Geräte ermöglichen mittlerweile die Nutzung von Web-Diensten. Und auch das Auto wird zunehmend ein Gerät, mit dem man sich im World Wide Web bewegen kann. Dabei gibt es gemeinhin zwei Varianten der Vernetzung: Zum einen wird zunehmend die SIM-Karte, mit der sich jeder Mobiltelefon-Besitzer bei seinem Netzanbieter identifiziert, zum Teil des Fahrzeuges – das Auto wird quasi zum Mobiltelefon.

Für 2018 wird erwartet, dass von den weltweit rund 100 Millionen neu zugelassenen Fahrzeugen rund ein Drittel mit derartigen »eingebetteten« Mobilfunktechnologien ausgestattet ist. Zum anderen dienen mobile Gerate wie Smartphones als Schnittstelle zum globalen Netz. Experten gehen davon aus, dass 21 Millionen Fahrzeuge über das Smartphone vernetzt werden (Bild 3). Dabei ist die Bluetooth-Technologie heute schon fast der Standard, um mobile Geräte mit dem Infotainment-System des Autos zu vernetzen, über das sich wiederum SMS und E-Mails empfangen und versenden lassen. Schließlich können so über das Smartphone auch Telematik-Dienste genutzt werden, beispielsweise lassen sich aktuelle Verkehrsinformationen in das Navigationssystem des Fahrzeugs übermitteln (Bild 4).

Mithilfe von HTML5-APIs soll eine Vielzahl von Fahrzeugdaten über das IoT zur Verfügung stehen. Neben dem Zugriff auf Parksensoren, Durchschnittsgeschwindigkeits- und Verbrauchswerte sowie Licht- und Scheibenwischereinstellungen ist ebenso die Übertragung der Information über den aktuellen Gang möglich. Beispielsweise könnte durch diese Verknüpfung der Fahrer auch auf seinem Smartphone oder auf dem TV den aktuellen Tankstand seines Fahrzeugs abrufen. Umgekehrt ist es aber auch möglich, vom Fahrzeug aus auf die Medienbibliothek des Smartphones oder des PCs zuzugreifen.

Distribution spielt wichtige Rolle

Da die Landschaft der Automobil-Zulieferer in hohem Maße von mittelständischen Unternehmen geprägt ist, kommt der Distribution beim Internet of Things eine ganz besondere Rolle zu (siehe Kasten). Auch Firmen im Bereich Home Automation, die Schalter, Leuchten, Thermostate und ähnliche Produkte fertigen beziehungsweise entwickeln, müssen sich der Frage stellen, ob und wie es sinnvoll ist, ihre Erzeugnisse an Netzwerke beziehungsweise ans Internet anzubinden. Das Gleiche gilt für Applikationen rund um das Smart Grid, also das intelligent gesteuerte Stromnetz.

Anbindung an das IoT

Es gibt Smart Devices, aber auch neue Ansätze. In einem Smart Device ist die Anbindung im Rahmen des Internet of Things eigentlich eine Connectivity-Funktion, die in ein bestehendes oder zu entwickelndes Gerät zusätzlich mit hinein kommt. So ließen sich beispielsweise in einen Thermostaten ein Regler sowie eine Connectivity-Funktion einbauen. Oder innerhalb einer Wohnung beispielsweise etwa 100 Temperatursensoren installieren, die ihre Messwerte in einem wohnungsinternen Netzwerk zur Verfügung stellen. Dabei darf die Heizung die Messwerte dieser Temperatursensoren verwenden, um die Temperatur zu regeln, aber die Heizung wäre nur ein möglicher Verwerter der Temperatur-Sensordaten von vielleicht mehreren. Mit diesen Temperatursensoren könnten andere Systeme beispielsweise auch Bewegungen oder die Temperaturverteilung im Raum erfassen. Alle Sensordaten des Hauses könnten in einem System aggregiert sein und dann von den einzelnen Systemen im Rahmen einer Datenanalyse individuell ausgewertet werden. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, bestimmte Muster zu erkennen und daraus entsprechende Service-modelle abzuleiten. Je nachdem, welche Firmen sich mit dem Thema beschäftigen, ergibt sich in diesem Zusammenhang ein völlig anderer Ansatz, denn schließlich hat, um beim Beispiel zu bleiben, ein Hersteller von Heizungssteuerungen andere Präferenzen als ein Hersteller von Beleuchtungstechnik.

Während bisher eine einzelne Leuchte oder einige wenige Leuchten angesteuert werden, könnte man im Rahmen des Internet of Things auch gleich eine große Anzahl an Leuchten ansteuern. Dabei erfassen beispielsweise Bewegungssensoren den Standort einer Person in einem langen Korridor und sorgen dafür, dass der Bereich um die Person herum stets bestens ausgeleuchtet ist, während der restliche Teil des Korridors stark heruntergedimmt ist: Das Licht wandert praktisch mit der Person, die sich durch den Korridor bewegt. Eine solche Funktion ist am Anfang zwar ungewohnt, ermöglicht aber beachtliche Energieeinsparungen. Ein Device im Rahmen des Internet of Things enthält stets einen Mikroprozessor sowie entweder einen Sensor oder einen Aktuator oder beides und zusätzlich eine Kommunikationsschnittstelle, welche die Verbindung mit dem Internet herstellt. Hinzu kommt die Energieversorgung. Nur sehr wenige Halbleiterhersteller haben das komplette Portfolio, das zur Umsetzung eines solchen Device im Rahmen des Internet of Things erforderlich ist – und genau hier kommt die besondere Rolle der Distribution ins Spiel, kann sie doch in vielen Fällen helfen, diese Themen zusammenzuführen (siehe Kasten).

Dabei stellt sich stets die Frage, ob die Internet-Anbindung über eine Kabelverbindung oder drahtlos erfolgen soll. Vor allem bei der populären Wireless-Verbindung gilt es, sehr viele Aspekte zu beachten, um ein effektives Low-Power-Design umzusetzen. Auch hier kann der Distributor wertvolle Hilfestellungen bieten. Gerade bei der Anbindung von Sensoren fallen oft nur relativ geringe Datenmengen an, die sich meist mit schmalbandigen Übertragungsverfahren sehr gut an einen Konzentrator übertragen lassen, der dann über einen schnelleren Datenanschluss verfügt.

Sichere Daten sind ein Muss

Es wird auch im Rahmen von Industrie 4.0 diverse neue Geräte geben, die als Hub fungieren, um mehrere schmalbandige Sensor-Signale zu sammeln und dann weiter über LAN- oder Daten-Mobilfunk an einen Server beziehungsweise in die Cloud zu leiten. Auf der schmalbandigen Seite existieren derzeit diverse Übertragungsstandards von Bluetooth und Bluetooth Low Energy (BLE) über ZigBee bis ZWave, deren Kommunikations-Schnittstelle die Datenkonzentratoren/Hubs/Router beherrschen müssen.

Daher ist für Designs im Rahmen des Internet of Things meist ein Know-how-Mix in den Bereichen Hochfrequenz-Technologie, CMOS-Sensoren, Low-Power-Design, Mikrocontroller/Mikroprozessor und Datensicherheit (Security) erforderlich. Ein wesentliches Element eines jeden Systems ist der Mikro¬controller beziehungsweise der Mikroprozessor, aber diesen Aspekt decken die klassischen Technologie-Segmente von Herstellern wie Atmel, Infineon, STMicroelectronics, Texas Instruments etc. auch unter dem Gesichtspunkt Internet of Things bereits umfassend ab.

Ein wichtiges Thema in diesem Rahmen sind auch die Standards, denn nur so ist Interoperabilität gewährleistet. Durch das Verbinden von zuvor autonomen Systemen wird das Thema Datensicherheit (Security) vernetzter Geräte und Datenschutz sehr viel wichtiger als je zuvor. Security ist mittlerweile ein zentrales und essentielles Thema, das leider viel zu oft vernachlässigt wird. Um die Privatsphäre und Betriebsgeheimnisse zu wahren, ist es sehr wichtig, die passenden Sicherheitsmaßnahmen bereits von Anfang an im Design zu verankern. Bei den Smart Metern (intelligente Energiemessgeräte) gibt es sogar sehr konkrete Vorgaben des BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik), welche Sicherheitskriterien ein solches Gerät erfüllen muss. Obwohl es keine gesetzlichen Vorgaben über das Handling von Daten innerhalb der häuslichen Umgebung gibt, sollten auch derartige Systeme alle sicherheitsrelevanten Daten auf einem angemessen hohen Sicherheitsniveau handhaben, um ein Abhören oder Manipulieren dieser Daten zu verhindern.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist auch der Schutz des Know-hows und der IP des Entwicklungsteams, denn niemand will, dass ein anderes Unternehmen die mühsam erstellten Hardware- und Software-Designs kopiert. Viele Firmen haben die Bedeutung des IP-Schutzes bereits erkannt und integrieren daher entsprechende Schutzmechanismen in ihre Designs. So setzen sie beispielsweise die in FPGAs vorhandenen frei programmieren Schaltungen oder spezielle Security-Chips dazu ein, entsprechende Sicherheits-Elemente zu realisieren.

Über den Autor:

Thomas Staudinger ist Vice President Vertical Segments bei EBV Elektronik.

So unterstützt die Distribution den Internet-of-Things-Entwickler 

Da die Landschaft der Automobil-Zulieferer, aber auch der Industrieautomatisierung, in hohem Maße von mittelständischen Unternehmen geprägt ist, kommt der Distribution beim Internet of Things eine ganz besondere Rolle zu. EBV differenziert sich auf dem Distributions-Markt besonders durch seine intensive Unterstützung in zwei Bereichen: Einer davon sind die Wireless- und Hochfrequenz-Technologien, die in vielen Designs ein Schlüsselelement darstellen. Der andere Bereich ist das Thema Datensicherheit (Security), in dem viele europäische Industriekunden bisher noch kein spezifisches Know-how ansammeln mussten, weil sich Fragen im Bereich der Security-Problematik vor der Anbindung an das Internet of Things noch nicht stellten.

EBV baut schon seit geraumer Zeit das entsprechende Internet-of-Things-Know-how in den einzelnen Bereichen auf. Ein gutes Beispiel für dieses interdisziplinäre Arbeiten ist der Lighting-Sektor, wo es bereits heute Leuchten mit Kommunikationsanschluss gibt. Über Schnittstellen wie »ZigBee Light-Link« ist es dann möglich, die Leuchten ein- und auszuschalten, zu dimmen, in der Farbtemperatur zu verändern etc. Mit der passenden App kann der Anwender diese Funktionen auch über sein Smartphone und einen Router steuern. Beim Design derartiger Produkte war EBV Elektronik bereits aktiv involviert.

EBV verbindet Markt- und Technologiesegmente

Da EBV mit seiner Organisationsstruktur über seine zahlreichen Markt- und Technologie-Segmente hinweg jeweils ein sehr breites Spektrum anbietet, können Entwickler schnell eine passende Lösung für ihre Design-Anforderung im Rahmen des Internet of Things erhalten. Hier ergeben sich viele Synergien, die den jeweiligen Kunden-Designs zugutekommen. Durch die Verbindung von Markt- und Technologiesegmenten kann EBV Elektronik den Entwicklern die entsprechende Kompetenz und Unterstützung bieten, damit diese ihre Produkte als Teil des Internet of Things funktionsfähig marktreif entwickeln können. Ein Blick auf die Microsites der EBV-Webpräsenz zeigt, wie diese Matrixstruktur einen zielgerichteten Support ermöglicht – dort sind die marktorientierten Segmente Automotive, Consumer, Healthcare, High-Rel und Renewable Energies genauso ausführlich erklärt wie die technologiegetriebenen Segmente FPGA, Identifikation, LightSpeed (Beleuchtungstechnik) und HF & Wireless. Diese Segmente sind direkt mit dem Vertrieb verzahnt, so dass die entsprechenden EBV-Mitarbeiter den Entwicklern bei Bedarf gemeinsam als Team entsprechend maßgeschneiderte Technologie-Pakete für die jeweiligen Anwendungen erläutern können.

EBV hat ganz bewusst kein dediziertes Internet-of-Things-Team etabliert, denn der Distributor unterstützt seine Kunden über die Segmente bei der Lösung ihrer Design-Probleme. Ein Leuchtenhersteller kontaktiert dann beispielsweise nach wie vor das EBV-LightSpeed-Team für seine Designfragen, und das Licht-Team holt dann je nach Bedarf die erforderlichen technischen Segment-Unterstützungen – beispielsweise im Bereich HF & Wireless – mit ins Boot. EBV liefert dabei sowohl Unterstützung im Rahmen des Design-Prozesses als auch bei der Konzeptionsfindung.

Immer wieder stellt sich allerdings die Frage, zu welchem Segment eine bestimmte Applikation gehört. Ein gutes Beispiel hierfür sind LED-Lichter für einen Sportwagen, die einerseits zum Segment Automotive gehören, andererseits aber auch zum Segment LightSpeed. In diesem Fall suchen die EBV-Experten beider Segmente gemeinsam mit den Entwicklern nach der besten Lösung für die jeweilige Anwendung, um so eine zügige Umsetzung in der Applikation zu ermöglichen.

Mit Partnern schneller zum Ziel

Im Bereich Internet of Things suchen die entwickelnden Unternehmen nach Partnern, die ihnen einerseits mit Informationen helfen und andererseits die entsprechende Unterstützung liefern, um das gewonnene Know-how in einen Wettbewerbsvorteil beziehungsweise in differenzierende Produkte umzusetzen. Da praktisch alle Entwicklungsabteilungen mit der Time-to-Market und begrenzten Entwicklungsressourcen kämpfen, sind die Rahmenbedingungen klar definiert. Oft sichern erst die passenden Entwicklungsboards, Referenzdesigns, Module und Partner den entscheidenden Wettbewerbsvorteil eines zu entwickelnden Produkts. Wenn beispielsweise ein potenzieller Partner bereits einen nicht wettbewerbsdifferenzierenden Teil der eigenen Applikation anbietet, kann dies zu einer erheblichen Verkürzung der Time-to-Market führen, weil es nicht nötig ist, quasi das Rad neu zu erfinden.

Ein gutes Beispiel hierfür ist das Thema Sicherheit. Wenn ein Kunde ein entsprechendes Sicherheitskonzept für sein Design benötigt, kann EBV dieses Konzept zwar nicht direkt liefern, aber im Rahmen seines breit gefächerten, dicht geknüpften Partnernetzwerks den Kontakt zu entsprechenden Spezialisten herstellen. Gerade Unternehmen, die ihre Fabrikautomatisierungs-Systeme sicher an das Internet anbinden möchten, nutzen diese EBV-Kontakte sehr gerne, denn schließlich müssen sie dafür sorgen, dass niemand die Fertigungsanlagen hackt und manipuliert.