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IoT Netzwerk-technologien

Für die Vernetzung von IoT-Geräten stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Bei der Technologiewahl spielen sowohl wirtschaftliche als auch technische Aspekte eine Rolle: Welche Datenmengen sind zu übermitteln? Wie schnell muss übertragen werden, und mit welcher Reaktionszeit? Welche Technologie ist für den Standort des Geräts und die zu überbrückende Distanz am besten geeignet? Auf diese und andere Fragen gehen wir in diesem Abschnitt ein.


Wenn es darum geht, das Internet der Dinge zu verbinden, gibt es eine scheinbar überwältigende Anzahl von Optionen. Mobilfunk, Satellit, WiFi, Bluetooth, RFID, NFC, LPWAN und Ethernet sind nur einige der Möglichkeiten, einen Sensor/Gerät mit dem Internet zu verbinden. Und innerhalb jeder dieser Optionen kann es verschiedene Anbieter geben (z.B. für Mobilfunk gibt es Swisscom, Sunrise, Salt etc.). Konnektivität ist eine große Facette des IoT, daher ist es wichtig, die Optionen zu verstehen, damit Ihr Projekt reibungslos und mit möglichst geringem Aufwand abläuft.


Trade Off zwischen Stromverbrauch, Reichweite und Bandbreite

Die perfekte Konnektivitätsoption verbraucht extrem wenig Strom, hat eine große Reichweite und kann große Datenmengen übertragen (hohe Bandbreite). Leider gibt es diese perfekte Konnektivität nicht.

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Jede Konnektivitätsoption stellt einen Kompromiss zwischen Stromverbrauch, Reichweite und Bandbreite dar. Dies ermöglicht es uns, die verschiedenen Konnektivitätsoptionen in drei Hauptgruppen zu unterteilen, die Sie unten finden. diese Gruppen sollten jedoch mehr als ein Rahmen für das Nachdenken über Konnektivität als eine definitive Klassifizierung dienen, da es Konnektivitätsstandards geben kann, die mehr an den Grenzen dieser Gruppen liegen.

1. Hoher Stromverbrauch, hohe Reichweite, hohe Bandbreite

Um viele Daten drahtlos über eine große Entfernung zu übertragen, benötigt man viel Strom. Ein großartiges Beispiel dafür ist Ihr Smartphone. Ihr Telefon kann große Datenmengen (z.B. Video) über große Entfernungen empfangen und übertragen, aber Sie müssen es alle 1-2 Tage aufladen. Zu den Konnektivitätsoptionen dieser Gruppe gehören Mobilfunk und Satellit.

Cellular wird verwendet, wenn sich der Sensor/Gerät innerhalb der Reichweite von Mobilfunkmasten befindet. Für Sensoren/Geräte, die sich beispielsweise in der Mitte des Ozeans befinden, wird ein Satellit benötigt.

2. Geringer Stromverbrauch, geringe Reichweite, hohe Bandbreite

Um den Stromverbrauch zu senken und trotzdem viele Daten zu senden, müssen Sie die Reichweite verringern. Zu den Konnektivitätsoptionen dieser Gruppe gehören WiFi, Bluetooth und Ethernet.

Ethernet ist eine fest verdrahtete Verbindung, daher ist die Reichweite kurz, da sie nur bis zur Leitungslänge reicht. WiFi und Bluetooth sind beide drahtlose Verbindungen mit hoher Bandbreite und geringerem Stromverbrauch als Mobilfunk und Satellit. Da Sie jedoch sicher schon einmal einen Spaziergang durch Ihr Zuhause erlebt haben, ist die Reichweite begrenzt.

3. Geringer Stromverbrauch, hohe Reichweite, geringe Bandbreite

Um die Reichweite bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch zu erhöhen, müssen Sie die Datenmenge, die Sie senden, verringern. Die Konnektivitätsoptionen in dieser Gruppe werden als Low-Power Wide-Area Networks (LPWANs) bezeichnet.

LPWANs senden kleine Datenmengen, die es ihnen ermöglichen, mit sehr geringer Leistung zu arbeiten, mit Reichweiten in Meilen statt in Fuß. So muss beispielsweise ein Feuchtesensor für landwirtschaftliche Zwecke nicht viele Daten senden, vielleicht nur eine einzige Zahl (der Feuchtigkeitsgehalt) alle paar Stunden. Sie möchten auch nicht, dass dieser Sensor viel Strom verbraucht, da er mit Batterie betrieben werden muss (der Anschluss an eine Steckdose in der Mitte eines Feldes ist einfach nicht realistisch). Und da die Landwirtschaft ein großes Gebiet abdeckt, fehlt WiFi und Bluetooth die Reichweite.

LPWANs sind für viele IoT-Anwendungen äußerst nützlich. Sie erlauben Tonnen von Sensoren/Geräten zur Erfassung und Übertragung von Daten über weite Bereiche bei jahrelanger Lebensdauer der Batterie. Obwohl sie nicht viele Daten senden können, müssen die meisten Sensoren nicht, aber diese Art von Anwendung benötigt oft IoT-Gateways, die wir im vorherigen Kapitel untersucht haben.


Wann die Konnektivität übersprungen werden soll

Das Internet der Dinge besteht aus angeschlossenen Sensoren/Geräten, so dass ein IoT-System per Definition eine gewisse Konnektivität benötigt, insbesondere wenn es die Cloud nutzt.

Es gibt jedoch bestimmte Fälle, in denen die Datenverarbeitung oder die Interaktion mit dem Sensor/Gerät über die Benutzeroberfläche erfolgen kann, ohne dass zuvor Daten über ein externes Netzwerk übertragen wurden.

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Warum die Konnektivität überspringen?

Ein Grund dafür ist die Latenzzeit. Die Latenzzeit bezieht sich darauf, wie lange es dauert, bis ein Datenpaket vom Startpunkt zum Endpunkt gelangt. Obwohl die Latenz in den meisten Fällen keine Rolle spielt, ist die Latenz für einige IoT-Anwendungen entscheidend.

Beispiel aus der Praxis

Stellen Sie sich vor, Sie sind in einem selbstfahrenden Auto und plötzlich verliert jemand die Kontrolle über sein Auto vor Ihnen. Würden Sie warten wollen, bis das selbstfahrende Auto Daten in die Cloud sendet, diese Daten verarbeitet hat und dann Anweisungen hat, was zu tun ist, die an das Auto zurückgeschickt werden? Nein! Diese Millisekunden könnten Leben oder Tod bedeuten.

Selbst wenn Sie derjenige sind, der das Auto fährt, möchten Sie, dass die Benutzeroberfläche (d.h. das Lenkrad) direkt mit dem Gerät (d.h. dem Auto) verbunden ist, anstatt darauf zu warten, dass Ihre Eingaben extern übertragen, verarbeitet und dann zurückgeschickt werden.

Ein weiterer Grund ist, dass das Senden vieler Daten sehr teuer werden kann. Einige IoT-Anwendungen sammeln eine Menge Daten, aber nur ein kleiner Teil ist tatsächlich wichtig. Lokale Algorithmen können einschränken, was gesendet wird, was die Kosten senkt.

Ein gutes Beispiel ist eine Überwachungskamera. Streaming-Video erfordert eine Menge Daten, aber der überwiegende Teil des Filmmaterials könnte von einem leeren Flur stammen.


Wie überspringe ich also die Konnektivität?

Anstatt Daten über ein Netzwerk zu senden, um sie in der Cloud zu verarbeiten, besteht ein alternativer Ansatz darin, die Daten auf einem Gateway oder auf dem Sensor/Gerät selbst zu verarbeiten.

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Dies wird entweder Nebel-Computing oder Edge-Computing genannt (weil Sie die Cloud "näher an den Boden" bringen und die Berechnung eher an den Rändern des IoT-Systems als im Zentrum stattfindet).

Für die Sicherheitskamera könnte sie die maschinelle Bildverarbeitung nutzen, um auf etwas Abnormales "zu achten" und dieses Material erst dann in die Cloud zu senden.

Für das selbstfahrende Fahrzeug erfolgt die Datenverarbeitung komplett im Bordcomputer, was eine schnellere Entscheidungsfindung ermöglicht.


Wichtige Takeaways

Jedes IoT-System kombiniert die vier von uns skizzierten und zu detaillierenden Komponenten:

  • Sensoren/Geräte
  • Konnektivität
  • Datenverarbeitung
  • Benutzeroberfläche

Ein IoT-System kann diese Komponenten jedoch unterschiedlich kombinieren und sehr unterschiedliche Formen der Konnektivität nutzen. Es kommt alles auf Ihre spezifische Anwendung und Ihre organisatorischen Bedürfnisse an.

In den kommenden Kapiteln werden wir einen tieferen Einblick in einige der hier genannten Konnektivitätsoptionen geben.