Schwerpunkte

IoT-Funkplattform für Gebäude

Komfort und Sicherheit vereint

30. Juli 2020, 09:28 Uhr   |  Von Patrick Knödler und Frank Konrad

Komfort und Sicherheit vereint
© metamorworks| Shutterstock

Um wichtige Komfort- und Sicherheits-Applikationsanforderungen zu realisieren, bedarf es eine IoT-Funkplattform.

Der IP500-Standard ermöglicht es, eine IoT-Funkplattform zu realisieren, die alle wichtigen Applikationsanforderungen in kommerziellen Gebäuden erfüllt. Damit können Komfort- und Sicherheitsapplikationen ein und dieselbe IoT-Infrastruktur nutzen.

Viele von uns fahren Autos und haben ein gutes Gespür dafür, welche Eigenschaften bei einem Auto wichtig sind und wann sie ein Auto überhaupt nicht fahren würden. Heutzutage würden zum Beispiel viele in kein Auto steigen, wenn kein Sicherheitsgurt oder ABS-System mit Scheibenbremsen – anstatt Trommelbremsen – vorhanden wäre. Oder anders gesehen, würden Sie, wenn Sie in Dubai arbeiten, einen Geschäftswagen ohne Aircondition nehmen? In Alaska dagegen würden Sie wahrscheinlich nach einigen Jahren vergessen haben, wo Sie die Klimaanlage an Ihrem Wagen überhaupt anschalten.

Die Botschaft ist, die meisten Autos werden für die ganze Welt gebaut und nicht nur für einzelne Länder wie Dubai oder Alaska. Übertragen in die IoT-Funkwelt, kann ein Auto in einem Straßennetz auch als Datenpaket in einem Funknetzwerk gesehen werden, das bestimmte Anforderungen erfüllen muss. Wie im Straßennetz erfährt das Datenpaket vergleichbare Probleme, es bleibt im Datenstau stecken – zu geringe Bandbreite – und kommt zu spät oder nie an.

Wie bereits in der Titelgeschichte »Die IoT Revolution« der Elektronik-Ausgabe 2 2020 [1] deutlich gemacht wurde, ist es für ein IoT-Funknetzwerk für kommerzielle Gebäude wichtig, nicht nur ein oder zwei Performance-Aspekte zu bieten, z.B. hohe Reichweite und lange Batterielebensdauer, sondern es muss weitaus mehr kritische Performance- und Sicherheitsaspekte gleichzeitig erfüllen können. Bis heute ist dies nur dem Standard IP500 gelungen, kein anderer Funk-Standard kann diesen Leistungsumfang und Sicherheit bieten.

Das Geheimnis von IP500 ist sehr simpel. Die Entwickler haben bei der Entwicklung des Funk-Chips von Beginn an alle kritischen Aspekte, die aus Sicht des Anwenders wichtig sind, berücksichtigt. Hier kommt es aber darauf an, wer entscheidet, was die kritischen Aspekte sind. Zurück übertragen auf das Automobil also der Autohersteller oder der Nutzer/Anwender? Stets wird ein Hersteller aber nur das einplanen und einbauen können, was er als Know-how verfügbar hat.

Die Automobilindustrie macht es ziemlich gut vor. Sie beachtet sehr wohl die Infrastruktur-, System- und Anwenderebene und die Anforderungen der Zulassungsregeln (TÜV) sowie deren Sicherheitsnormen. Beachtet ein Hersteller diese vielschichtigen Anforderungen während der Entwicklung eines Produktes nicht, dann landet dieses Produkt in einer entsprechenden Applikationssackgasse. Die Bandbreite von Applikationen und damit auch die globalen Vermarktungspotenziale sind enorm eingeschränkt. Von einer Plattform kann dann überhaupt nicht gesprochen werden.

IoT-Plattform für kommerzielle Gebäude einplanen

Aus der Systemperspektive eines Planers oder Systemintegrators betrachtet, ist für die Entscheidung, ein IoT-Funknetz einzusetzen, maßgeblich, welches IoT-Funknetz dem Endnutzer niedrige Gesamtkosten im Betrieb (Cost-of-Ownership) und dem Planer selbst die höchste Planungssicherheit bietet.

Diese Planungsprozesse von kommerziellen Gebäuden werden heute durch Planungs-Tools, wie z.B. das BIM-System (Building Information Modeling), und entsprechenden VDI-Richtlinien unterstützt. Die Methodik ist dem Planer bekannt, wenn er beispielsweise für IT-Applikationen mit hohen Datendaten flächendeckend Wi-Fi in einem Bürogebäude einplant.

Ist die Ausleuchtung der Funkzellen für die Infrastruktur in der ersten Planungsphase vollzogen, wird er sich anschließend den sicherheitsrelevanten Applikationen zuwenden und diese einplanen. Erfüllt ein IoT-Netzwerk alle Anforderungen eines Planers in diesem Umfeld – also Einbruch/Zutritt, Feuermelder, Evakuierung – so wird er ohne große Bedenken weitere Applikationen ins gleiche IoT-Netzwerk einbinden können – ohne weitere spezielle Gateways.

In der Konfiguration einer BIM-Planung ist die Trennung zwischen den Applikationen »Komfort« und »Sicherheit« nach den entsprechenden Richtlinien, z.B. Bauvorschriften oder VdS, zu beachten. Auf der Ebene der Applikationsplanung wird dies »Freedom in Design« genannt. Das heißt, der Planer ist frei in der Gestaltung der IoT- und Sensor-Applikationen in einem kommerziellen Gebäude. Im Falle IP500: mit ein und derselben IoT-Infrastruktur. Die technischen Grundlagen sind dann in VDI-Installationsrichtlinien, wie der VDI 3813 Gebäudeautomation (GA) festgelegt.

Damit kann ein Planer auch Wünsche der Endanwender, z.B. Facility Management oder Sicherheitsdienst, adressieren und sogar neue Applikationsideen in einer späteren Bauphase mit einbinden – im Falle IP500 als IoT-Plattform ist dies ohne Änderungen an der Installation, ohne eine zusätzliche neue Infrastruktur und ohne Aufrüstung möglich.

IoT-Plattformen heute und in Zukunft

Über die letzten Jahrzehnte haben viele funkbasierende IoT-Systeme versucht, sich weltweit zu etablieren, so z.B. Zigbee, Z-Wave, EnOcean, ULE und mehr. Kürzlich sind auch LoRa, Sigfox, Bluetooth, 5G, LTE Cat NB1 (NB-IoT) und andere hinzugekommen. Das Verlangen der Protagonisten dieser Funktechniken, mit den jeweiligen Funkprotokollen auch außerhalb ihres Kernbereichs Applikationen bedienen zu wollen, ist groß – und auch nachvollziehbar.

Ein solches Vorgehen mag im Konsumgeräteumfeld manchmal gelingen, nicht aber in kommerziellen Gebäuden, wo Regularien, Normen und Anforderungen der Versicherungsgesellschaften nachweislich zu erfüllen sind. Der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V. betreibt mit dem Tochterunternehmen VdS Schadenverhütung GmbH Europas größtes Institut für Unternehmenssicherheit – und schreibt in VdS-Richtlinien die Robustheit und Sicherheit einer Funkkommunikation vor.

Hersteller von Gebäudeautomationsprodukten haben wegen der hohen Anforderungen mehr oder weniger keine andere Wahl gehabt, als eigene proprietäre Funksysteme zu entwickeln. Ihr Geschäftsmodell fokussiert auf den Systemansatz und die Unternehmen müssen dabei – wenn gefordert – die sicherheitsrelevanten Applikationen entsprechend den Vorgaben der VdS-Richtlinien adressieren. Ein universeller Funk-IC von der Stange war dann die Option, aber mit viel Entwicklungsleistung für Hard- und Software und zusätzlicher Zertifizierung. Manche Hersteller sind in Anbetracht des Aufwandes für die Entwicklung einer proprietären Funktechnik dann aber doch lieber bei einer »verdrahteten Lösung« geblieben.

Dass der Weg über eine proprietäre Funktechnik auch langfristig keine sinnvolle Lösung ist, liegt auf der Hand. Das wäre, übertragen auf das Automobil, so als würde jede Stadt nicht nur eigene Straßenbreiten vorschreiben, sondern nur bestimmte Autos eines Herstellers können auf diesen Straßen überhaupt fahren.

WPANs wird ein enormes Potenzial in den kommenden fünf Jahren zugesagt – und in diesem Bereich fokussiert sich IP500 auf eine leistungsfähige und sichere Funkkommunikation für kommerzielle Gebäude
© IP500 Alliance

Bild 1. WPANs wird ein enormes Potenzial in den kommenden fünf Jahren zugesagt – und in diesem Bereich fokussiert sich IP500 auf eine leistungsfähige und sichere Funkkommunikation für kommerzielle Gebäude.

Folglich sind also auch große und weltweit agierende Hersteller sehr daran interessiert, den enorm wachsenden Markt (siehe Bild 1) für IoT-WPANs (Wireless Personal Area Network) mit einer robusten, sicheren und Leistungsstarken IoT-Plattform in Form eines Funk-ICs zu bedienen. Dieser Schaltkreis kann die Systemansprüche für kommerzielle Gebäude erfüllen, aber auch die Endanwenderwünsche im Home-Bereich.

Ein Zertifizierter IoT-IC bzw. ein IoT-Modul spart dem Hersteller hohe Entwicklungskosten und viel Entwicklungszeit – aber vor allem einen langen und teuren Zertifizierungsprozess für seine Produkte nach z.B. EU-Funkanlagenrichtlinie (RED, Radio Equipment Directive), FCC (Federal Communications Commission) oder VdS – und das für alle wichtigen Funkbänder SRD (Sub-GHz) und ISM (2,4 GHz).
IP500 adressiert mit der Pre-Konformität – ausführlich beschrieben in [1] – seiner IoT-Plattform, mit dem Funkmodul CNX200, genau diesen Aspekt. Mit diesem Funkmodul sind Hersteller in der Lage, zu planbaren und geringen Kosten, ihre Produkte mit Funk für IOT-Anwendungen aufzurüsten – egal ob für eine Komfort- oder eine sicherheitsrelevante Applikation.

Wie bereits erwähnt, haben einige Funkstandards versucht, sich in möglichst vielen Applikationsfeldern zu etablieren, das war um das Jahr 2000 herum. Alle sind der Smart-Home-Idee gefolgt, im 2,4-GHz- oder 1,8-GHz- (DECT, Digital Enhanced Cordless Telecommunications bzw. ULE, Ultra Low Energy) oder im Sub-GHz-Bereich, ohne IPv6. Dafür haben dann die Halbleiterhersteller auch entsprechende Funk-ICs entwickelt, z.B. nach dem Standard IEEE 802.15.4 (b bis g).
Auf das Beispiel Auto übertragen, würde das wie folgt aussehen: Die Automobilhersteller würden einen Motor (= Funk-IC) bauen, der nur für die Stadt (= Smart Home) konzipiert ist. Das Auto könnte damit 50 km/h fahren und hätte eine Reichweite von ca. 50 km. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass ein solcher Ansatz nicht nur bei Automobilen scheitern muss.

Wenn ein Hersteller ein Auto (= IoT-Funkplattform) mit einer derartigen Leistungsbeschränkung bauen würde, wäre es nicht für die Autobahn konzipiert: also keine hohe Geschwindigkeit (= Datenrate) und Reichweite. Ach ja: Und kurze Bremswege (= Latenzzeit) sollte ein Auto, wie wir es heute gewohnt sind, selbstverständlich auch haben.

Die IP500 Alliance hat den IoT-Plattformansatz vor etwas mehr als zehn Jahren angedacht, um ein Funknetzwerk als Plattform für kommerzielle Gebäude zu etablieren, das die wichtigsten Sicherheits- und Leistungsaspekte in sich vereint. Die Anforderungen an das Funknetzwerk – die »Einstiegshürde« – wurden dabei sehr hoch gesetzt: Ein Funkstandard, der auch die Europäischen Normen (EN) und VdS-Richtlinien im Bereich »Security« (Einbruch) und gleichzeitig »Safety« (Brand) erfüllt. Zusätzlich soll dieser Funkstandard Anforderungen im Bereich der Mobilität in Gebäuden erfüllen können, z.B. Asset Tracking und Skalierbarkeit – also Netzwerke mit sehr vielen Knoten.

Die Halbleitertechnik, die mittlerweile Strukturen <20 nm ermöglicht, erlaubt komplexe Schaltungen auf einer Chip-Fläche von weniger als 1–2 mm2 zu integrieren. Damit können auch SoCs für eine anspruchsvolle Funkkommunikation realisiert werden, allerdings nur, wenn die IC-Entwickler von Beginn an die Anforderungen einplanen.

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