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Sichere und zuverlässige Funkvernetzung

Die IoT-Revolution für kommerzielle Gebäude

23. Januar 2020, 06:00 Uhr   |  Von Helmut Adamski und Witali Gisbrecht

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IP500 - ein »Hidden Champion« für kritische Anwendungen im Wireless-IoT-Markt.

Der IoT-Standard für die Funkkommunikation IP500 wurde entwickelt, um die härtesten Ansprüche in kommerziellen Gebäuden adressieren zu können. Mit der EN-Pre-Konformität, bescheinigt vom VdS, positioniert sich der IP500-Standard im Wireless-IoT-Markt als »Hidden Champion« für kritische Anwendungen.

Mit den jüngsten Erfolgen der IP500 Alliance [1] hat ein neues Kapitel im IoT-Markt für kommerzielle Gebäude begonnen. Dieses Kapitel haben namhafte Hersteller (Global Player) von Sicherheitsprodukten vor ca. zehn Jahren begonnen zu schreiben.

Zur Erinnerung: Zu der Zeit haben andere Wireless-IoT-Standards im Markt versucht, den IoT-Markt für sich zu gewinnen. Was ja zum Teil für den Smart-Home-Markt gelungen ist und aktuell im Wide-Area-IoT-Markt für Smart- City-Anwendungen versucht wird. Dennoch ist die Distanz (Gap) von bekannten Wireless-IoT-Systemen zum Endanwender und geforderten Normen im kommerziellen Sektor enorm groß. Warum? – weil technische Herausforderungen im Gesamtbild einer Wireless-IoT-Plattform zusammenspielen müssen.

Das heißt, dass unterschiedliche Anforderungen gleichzeitig von einer Wireless-IoT-Plattform unterstützt werden müssen; so als Beispiel eine sehr niedrige zeitliche Verzögerung (Latenz) im IoT-Netzwerk und gleichzeitig eine hohe Datenrate und Reichweite, und das robust und sicher mit einem geringen Energie-Budget der End-Sensoren. Das erscheint auf dem ersten Blick nicht möglich – ist es aber, wenn das gesamte System immer wieder zwischen der Anwendung und der Lösung abgestimmt wird.

Möchte ein Entwickler nur eine bestimmte IoT-Applikation bedienen, so reicht es aus, sich auf wenige oder gar einen technischen Parameter zu konzentrieren z.B. eine hohe Reichweite. Falls jedoch zusätzlich hohe Datenraten und niedrige Latenz gleichzeitig gefordert werden, wird das Angebot geeigneter Funkstandards für diese IoT-Anwendung sehr dünn. Das erfahren Anwender mit anderen Wireless-IoT-Standards; sie sehen sich in einer bestimmten Applikationen „gefangen“, wenn sie neue Funktionen implementieren wollen.

Die IoT-Revolution kann beginnen

Die IP500 Alliance will den IP500-Standard als dominierende Infrastruktur für Wireless-IoT- Applikationen in kommerziellen Gebäuden etablieren
© IP500 Alliance

Bild 1. Die IP500 Alliance will den IP500-Standard als dominierende Infrastruktur für Wireless-IoT- Applikationen in kommerziellen Gebäuden etablieren.

Das Ziel der IP500 Alliance war von Anfang an: eine Wireless-IoT-Plattform zu etablieren, die alle Smart-Sensor-Applikationen in einem Gebäude in ein und derselben Infrastruktur vernetzen kann. Vergleichbar mit dem WLAN-Standard, der sich für IT-Applikationen als Wireless-Standard durchgesetzt hat (Bild 1).

Geht man in Gedanken alle Applikationen in kommerziellen Gebäuden durch, so sind vor allem die Sicherheits-Applikationen in einem IoT-Netzwerk von höchster Bedeutung. Dies erfordert eine Interoperabilität aller IP500-Produkte, egal von welchem Hersteller ein Produkt gefertigt wird.

Diesen Gedanken hat die IP500 Alliance konsequent über die Jahre umgesetzt und hat »Best-In-Class« Funktechniken in einer geschickten Konstellation mit den Netzwerk-Layern und der IoT-Infrastruktur in den Spezifikationen des IP500-Standards festgelegt. Diese Specs wurden dann von Partnern in Produkten umgesetzt, die heute erhältlich sind, z.B. Funkmodule (CNX200, Bild 2) und Gateways (GW260).

Ausdauer und starke Partner zahlen sich aus

Das IP500-Funkmodul CNX200 enthält einen Mikrocontroller für den IP500-Netzwerk-Stack und auch die Antenne
© IP500 Alliance

Bild 2. Das IP500-Funkmodul CNX200 enthält einen Mikrocontroller für den IP500-Netzwerk-Stack und auch die Antenne. Es erfüllt alle Anforderungen für die weltweite Zertifizierung – für Europa (RED), Indien, Japan, USA (FCC) etc.

Durch eine enge Zusammenarbeit mit den Zertifizierungshäusern TÜV Rheinland und dem Verband der Sachversicherer (VdS) wurden bei der Entwicklung des IP500-Standards immer wieder die Systemsicht und wichtige Sicherheitsnormen im Fokus behalten.

Das Resultat revolutioniert nun die IoT-Welt, mit höchster Robustheit, Skalierbarkeit und technischen Eigenschaften in der Funkkommunikation, in der Netzwerktechnik und in der Infrastruktur.

Unbeeindruckt von den bestehenden Wireless-IoT-Standards, die vor allem durch die Bottom-up-Strategie der IC- und Netzwerkhersteller entwickelt wurden, hat die IP500 Alliance mit Ihren Mitgliedern und Partnern die Wireless-IoT-Plattform IP500 aus Sicht der Systemebene geschaffen

Der IP500-Standard wurde mit den für die Systemebene entscheidenden Sicherheitsnormen in Einklang gebracht und durch die relevanten Zertifizierungshäuser, z.B. den VdS, manifestiert. Dadurch ist heute der IP500-Standard weltweit einzigartig und in der Lage, einen Wireless-IoT-Standard als Plattform zur Verfügung zu stellen, der gleichzeitig höchste Leistungsansprüche im IoT-Netzwerk erfüllen kann und pre-konform zu europäischen Nomen ist, z.B. zu EN 50131-5-3 [2].

Ansprüche an funkbasierte Sicherheits-Applikationen

Von Beginn der Entwicklung an wurden im IP500-Standard die Anforderungen und Normen für die kritischen Applikationen in einem kommerziellen Gebäude – Zutrittskontrolle, Brandmelder etc. – in den Vordergrund gestellt. Gleichzeitig wurden die Best-in-Class-IoT-Techniken mit diesen Ansprüchen abgestimmt und in die IP500-Spezifikation eingebettet. Dieser Top-down-Prozess, aus dem Blickwinkel der Systemsicht, hat dazu geführt, dass der IP500-Standard garantiert auch den Ansprüchen der Zielanwendungen gerecht wird. Die Eckpfeiler dieser Anwendungen in kommerziellen Gebäuden sind:

  • Höchste Robustheit der Funkverbindung im kommerziellen und industriellen Umfeld.
  • Höchste Sicherheit in der Datenübertragung, inkl. Schlüsselverwaltung.
  • Kurze Reaktionszeit (Latenz) zwischen Sensoren, Aktoren und der Infrastruktur (Gateways).
  • Hohe Datenrate und gleichzeitig eine hohe Funkreichweite.
  • Skalierbare und robuste, vermaschte Netzwerkarchitektur (Mesh Topology).
  • Energie- und Batterie-Management.
  • Interoperabilität zwischen allen OEM-Produkten.
  • Redundante Netzwerk-Topologie inklusive Gateways mit Datenbanken.

Die meisten Standardisierungsgremien für Wireless-IoT-Systeme haben aus der Sicht der HF-Transceiver-ICs begonnen, das heißt »Bottom up«. Das bedeutet, die IC-Hersteller haben sich nach dem Standard IEEE 802.15.4 (x) gerichtet und die entsprechenden IoT-ICs entwickelt, so auch die Netzwerkhersteller die Softwareentwickler. Allerdings sind die Schichten zur Bit-Übertragung (PHY, Physical) und Sicherung (MAC, Media Access Control) im IEEE-Standard nur grob beschrieben – und sie haben keinerlei Bezug zur Applikation und deren Anforderungen.

Entwickler und Anwender müssen die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich der Frequenznutzung in den jeweiligen Ländern beachten und auch einhalten. Diese Regeln bergen aber enorme Herausforderungen für Wireless-IoT-Systeme. Betrachtet man beispielsweise den 2,4-GHz-Bereich, so ist dieser sehr belegt, vor allem durch Streaming-Applikationen mit WiFi und Bluetooth. Im Vergleich dazu bietet der Sub-GHz-Bereich nur schmale Kanäle und die nutzbaren Frequenzbänder sind von Region zu Region unterschiedlich.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat die IP500 Alliance ein Dual-Band-Verfahren spezifiziert, das im 2,4-GHz-Band hohe Datenraten bietet und im Sub-GHz-Bereich eine hohe Reichweite.

Durch das asynchron arbeitende, vermaschte Dual-Band-Netzwerk wurde eine zusätzliche Robustheit und Redundanz für die Übertragung von Sensordaten in einem sehr schwierigen Umfeld eingebaut. Die Datenpakete werden kryptographisch verschlüsselt, sodass der IP500-Standard Leistungsfähigkeit und Sicherheit in einem Wireless-IoT-Netzwerk kombiniert.

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1. Die IoT-Revolution für kommerzielle Gebäude
2. Pre-konform nach europäischen Normen
3. Routing per Hop List
4. IP500 Alliance

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