Drahtlose Netzwerke
Wie sich die Dinge vernetzen
Neue, revolutionäre drahtlose Übertragungstechniken mit geringem Stromverbrauch ermöglichen es, Maschinen ohne eigene Benutzeroberfläche an das Internet anzuschließen. Deshalb steigt die Zahl der per Internet vernetzten Knoten derzeit stark an. Hier ein Blick auf die zugrundeliegenden Techniken.
Das zugrundeliegende Konzept wird häufig als Machine-to-Machine (M2M) bezeichnet, weil die Geräte hier nicht mit Menschen, sondern untereinander kommunizieren. Ein Beispiel dafür ist der Thermostat von Nest. Zwar verfügt dieses Produkt über eine einfache Benutzerschnittstelle, die meiste Zeit aber sendet es seine Daten per Internet an einen Server. Auf diese Weise wird aufgezeichnet, wie eine Person ihr Heizungs- Lüftungs- und Klimasystem nutzt. Die Aktivitäten werden registriert, und zusätzlich besteht die Möglichkeit der Fernsteuerung.
Dieses Gerät ist ein Vertreter jener neuen Generation von M2M-Knoten, die ohne menschliche Einwirkung mit anderen Geräten kommunizieren. Die Internet-Anbindung erfolgt meist per WLAN/Wi-Fi (802.11), was sich aus der Einfachheit und dem günstigen Preis von Wi-Fi-Bauteilen erklärt. Die Halbleiterhersteller haben daran gearbeitet, den Integrationsgrad der 802.11-Knoten und -Bausteine zu erhöhen. Ein Beispiel dafür ist das Modul SimpleLink Wi-Fi CC3000 von Texas Instruments, das das gesamte System umfasst – einschließlich des Software-Stacks und der Antenne. Mit einem derart hohen Integrationsgrad werden die Voraussetzungen für eine völlig neue Generation von Internetverbindungen geschaffen. Doch das ist nicht alles.
Funkübertragung mit weniger Stromverbrauch
Wi-Fi eignet sich gut für den Einsatz Privatwohnungen, in denen so gut wie immer eine Basisstation mit Anschluss an ein Kabel- oder DSL-Modem vorhanden ist. Allerdings ist der Energieverbrauch von Wi-Fi recht hoch: während der Kommunikation kann die Leistungsaufnahme bis zu 100 mW betragen. Bei einem Gerät ohne Anschluss an das Stromnetz kann dies die Batterie rasch entleeren, so dass die Anwendungsmöglichkeiten begrenzt sind.
Bluetooth
Im Gegensatz dazu begnügt sich die drahtlose Bluetooth-Technik mit deutlich weniger Energie. Im aktiven Zustand liegt ihre Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 2 mW – im Standby-Modus sogar noch deutlich darunter. Man findet Bluetooth in drahtlosen Headsets, Lautsprechern, Tastaturen und Mäusen, in denen eine lange Batterielebensdauer ganz oben auf der Prioritätenliste steht. Bluetooth wird vorrangig für Ad-hoc- und Peer-to-Peer-Verbindungen genutzt. Dies ermöglicht die drahtlose Verbindung zweier Geräte für den Austausch von Daten (z. B. bei einer drahtlosen Tastatur).
Bei Mobiltelefonen mit ständiger Internetverbindung besteht für Bluetooth-Geräte, die mit dem Telefon gekoppelt werden, die Möglichkeit, mithilfe einer App ebenfalls direkt mit dem Internet zu kommunizieren. Die entsprechenden Geräte können damit sowohl Informationen aus dem Internet abrufen als auch selbst Informationen übermitteln, solange sie sich in der Nähe des Mobiltelefons mit der entsprechenden App befinden. Im Zusammenhang mit Sport- und Fitness-Applikationen wird dies häufig genutzt. Ein vom Benutzer getragenes, Bluetooth-bestücktes Sensorband nimmt dabei über die App Verbindung mit dem Mobiltelefon auf. Die App fungiert als eine Relaisstation und leitet die vom Sensorband erfassten Daten an einen Server weiter, von dem sie der Anwender später wieder abrufen kann.
Bluetooth Low Energy
Zur weiteren Verlängerung der Laufzeit von Geräten, die aus nicht wieder aufladbaren Batterien gespeist werden, wurde 2011 die unter dem Namen Bluetooth Smart vermarktete Bluetooth-Low-Energy-Technik eingeführt. Vom klassischen Bluetooth unterscheidet sie sich in verschiedenen Aspekten, die alle die Senkung des Energieverbrauchs auf ein Niveau zum Ziel haben, das letztendlich den jahrelangen Always-on-Betrieb ermöglicht. Deutlich verlängern lässt sich die Batterielebensdauer beispielsweise, indem man das Bluetooth Low Energy System-on-Chip CC2541 mit dem Abwärtswandler TPS62730 kombiniert. Dieses Chip-Duo senkt die Stromaufnahme aus einer Knopfzelle im aktiven Betrieb um 20 Prozent.
Mit einer Reichweite von 50 Metern und einem Applikations-Durchsatz von rund 270 kBit/s macht Bluetooth Low Energy eine Vielzahl neuer M2M-Anwendungen möglich. Das Spektrum reicht von drahtlosen Sicherheitssystemen über die Telemetrie, Überwachungs- und Mess-Anwendungen und Näherungssensoren bis zu einer Vielzahl weiterer Applikationen, die jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen. Ähnlich dem Wi-Fi-Modell, kann ein einfaches Bluetooth Low Energy-Gatewayprodukt solche Geräte mit dem Internet verbinden.
Sicherheitssystem für Privatwohnungen
Ein anschauliches Beispiel ist ein Sicherheitssystem für Privatwohnungen, das nur aus einem Wi-Fi- oder Bluetooth Low Energy-Gateway, einer Reihe drahtloser, auf das Haus verteilter Sensoren (in bis zu 50 Meter Entfernung vom Gateway) und einer Smartphone-App besteht. Die Sensoren kommunizieren mit dem Gateway, und dieses wiederum kommuniziert mit Servern, die den Zustand des Systems überwachen. Ob man nun zu Hause ist oder unterwegs – stets dient die Mobiltelefon-App als Benutzeroberfläche. Erkennt ein Sensor einen von der Norm abweichenden Zustand, kann ein Alarm an eine Überwachungsstation, das Mobiltelefon des Anwenders oder beide geschickt werden. Die Installation des Systems dauert eine halbe Stunde, und ansonsten reicht es, etwa alle drei Jahre die Batterien zu wechseln. All dies ist möglich, wenn die Sensoren mit Bluetooth Low Energy-Technik ausgestattet sind.
ZigBee
Die von Bluetooth Low Energy angestoßene Revolution ist jedoch nur ein Faktor, der die Zahl der Internet-Knoten ansteigen lässt. ZigBee, 6LoWPAN und andere Funktechniken bewirken ebenfalls, dass immer mehr reine Maschinenverbindungen entstehen. Im Unterschied zu Bluetooth handelt es sich bei der Architektur von ZigBee jedoch um ein vermaschtes Netzwerk, in dem jeder Knoten als Repeater für einen anderen fungieren kann. Da mehrere Übertragungswege möglich sind, beeinträchtigt der Ausfall eines Knotens nicht die Funktionsfähigkeit des Netzwerks insgesamt. Die physische Übertragungsebene von ZigBee beruht auf Funkeinheiten nach der Norm 802.15.4-2006. Der interessanteste Aspekt von ZigBee sind jedoch die Protokollergänzungen, die speziell auf rein maschinenbezogene Endmärkte zugeschnitten sind.
Hier sind die Protokolle ZigBee Smart Energy, ZigBee Home Automation und ZigBee Light Link hervorzuheben. Alle diese Protokolle sind für selbstheilungsfähige Mesh-Netze ausgelegt. Sie können Geräte miteinander zu verbinden, die nicht auf Computern basieren, und über ein ZigBee-Gateway die Verbindung mit dem Internet herzustellen.
Die Heimautomation existiert, seit es Heimcomputer und die Powerline-Kommunikationstechnik X-10 gibt. Die neuen Protokolle bieten dem Endnutzer jedoch weit mehr als nur das ferngesteuerte Einschalten der Beleuchtung oder die Fernsteuerung eines Thermostats. Inzwischen geht es nämlich darum, Energie zu sparen und die Haushalte effizienter zu machen.
Steigende Stromkosten und staatliche Gesetze, die mehr Effizienz vorschreiben, erfordern auf lange Sicht ein Netzwerk von Geräten, die den Zustand einer Wohnung, die Präsenz von Menschen und die klimatischen Verhältnisse kennen und daraufhin entscheiden, welche Geräte aktiv sein müssen und welche nicht.
Es ist heute beispielsweise an der Tagesordnung, dass Geräte auch im abgeschalteten Zustand (Standby) Strom verbrauchen. So gering er auch ist, trägt dieser Verbrauch dennoch zur Ineffizienz vieler Wohnhäuser bei. Wenn das Sicherheitssystem aber weiß, dass sich niemand im Haus befindet, kann es intelligente Steckerleisten und Geräte anweisen, ihre Benutzeroberflächen abzuschalten und in einen Ultra-Low-Power-Modus zu wechseln. Sobald jemand die Wohnung betritt oder das Garagentor öffnet, reaktiviert sich das Haus und stellt eine komfortable Raumtemperatur ein. Die Geräte kehren ebenfalls aus ihrem Tiefschlaf zurück, und die Beleuchtung wird entsprechend den aktuellen Umgebungsbedingungen eingestellt.
Langsam aber sicher wird diese Technik Einzug in unsere Wohn- und Firmengebäude halten. Da sie drahtlos arbeitet, kann sie in nahezu allen Gebäuden problemlos nachgerüstet werden. Es wird nicht mehr lange dauern, bis es im Handel intelligente Steckerleisten und Netzkabel gibt, mit denen man seine älteren Geräte nachrüsten kann – vom LCD-Fernsehgerät über Stereoanlagen, Waschmaschinen und Wäschetrockner bis hin zu Spülmaschinen, Elektroherden und vielem mehr. Diese Geräte lassen sich dann nach dem einfachen Tausch des Netzkabels auf ihren Stromverbrauch hin überwachen und fernsteuern. Diese Kabel können zudem drahtlos mit dem Internet verbunden werden und ermöglichen anderen Geräten, unnützen Stromverbrauch bei Nichtbenutzung zu vermeiden. Nicht mehr lange, dann werden all diese neuen Geräte die Zahl der Knoten, die mit dem Internet verbunden sind, um viele Millionen, wenn nicht gar Milliarden ansteigen lassen.
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