Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Kommunikationsstandard für das Internet der Dinge

Mit dem IoT-Bus zu Industrie 4.0

Das Internet der Dinge baut auf eine zuverlässige Vernetzung und Digitalisierung physischer Objekte wie Sensoren, Aktoren, Maschinen oder allgemein Geräte durch das Internet. Viele Anwendungen gemäß Industrie 4.0, moderner Gebäudeautomatisierung oder intelligentem Energiemanagement erfordern zukünftig IP-Fähigkeit in den Kommunikations-Endknoten und gewinnen dadurch an Flexibilität bei der Einbindung in vernetzte Prozesse. Mit dem IoT-Bus präsentiert das Fraunhofer IIS das erste Industrieprotokoll mit IPv6-Unterstützung und integriertem Sicherheitskonzept.


Eingliederung des IoT-Busses in das Portfolio für IP-fähige Technologien
Bild: Fraunhofer-Institut IIS

Der IoT-Bus, den das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt, kombiniert die Vorteile der nativen Internet-Protokollunterstützung mit den Vorteilen eines Feldbusses hinsichtlich Reichweite, Zuverlässigkeit, Robustheit, geringer Latenz und Interoperabilität. Zusätzlich ermöglicht der Kommunikationsstandard - im Gegensatz zu verfügbaren Lösungen auf dem Markt - eine einfache Anbindung von Funkknoten an das drahtgebundene Netzwerk.

Brücke zwischen drahtgebundener und drahtloser Welt

Der IoT-Bus schlägt eine Brücke zwischen drahtgebundenen und drahtlosen Lösungen im IoT-Kommunikationsportfolio. So verbindet er Sensoren und Aktoren mit dem IoT und ermöglicht eine durchgängige IPv6-Vernetzung. Durch die Verwendung des IEEE802.15.4-Protokolls für die drahtgebundene Kommunikation ist es mit dem IoT-Bus einfach, zwischen dem drahtgebundenen Medium und IEEE802.15.4-Funknetzen Daten auszutauschen oder das Netzwerk durch Funknoten zu ergänzen. Der IoT-Bus ermöglicht also eine cross-media Kommunikation und verbindet die beiden Welten von Wireless Personal Area Network (WPAN) und Feldbussen ohne komplexe Protokollumsetzung.

Datenrate und Reichweite

Die meisten Kommunikationsstandards sind entweder für Anwendungen mit hoher (z.B. >100Mbit/s) oder mit sehr niedriger Datenrate (z.B. bis 20kbit/s) konzipiert. Viele IoT-Anwendungen werden zukünftig Datenraten benötigen, die zwischen diesen beiden Grenzen liegen. Bei einer zu geringen Datenrate ist die IP-Fähigkeit und eine Verschlüsselung der Daten im Endknoten nicht umsetzbar. Zu hohe Bandbreiten treiben andererseits die Kosten und den Energieverbrauch unnötig in die Höhe. Durch den Einsatz der RS485-Schnittstelle für den Physical Layer erreicht der IoT-Bus die erforderliche Reichweite mit der notwendigen Datenrate zur Verwirklichung einer vernetzten Digitalisierung der Produktion bei geringen Kosten und niedrigem Energieverbrauch. Aktuell erzielt der IoT-Bus eine Datenrate von 1Mbit/s bei einer Reichweite von bis zu 500m in einem Netzsegment und ist so für Anwendungen mit mittlerer Datenrate sehr gut geeignet.

Echtzeit und IPv6-Fähigkeit

Für Industrieanwendungen ist Echtzeitfähigkeit häufig ein Muss. Der IoT-Bus nutzt zur Umsetzung der Echtzeitfähigkeit für die drahtgebundene Kommunikation ein deterministisches, Token-basiertes Kanalzugriffsverfahren. Für die drahtlose Kommunikation wird die contention-free period (CFP) innerhalb der IEEE802.15.4-Superframe-Struktur verwendet. Mit diesem Verfahren ermöglicht der IoT-Bus eine zuverlässige Kommunikation und den Informationsaustausch beispielsweise zwischen Industrieanlagen unter Einhaltung vorgegebener Reaktionszeiten. Im IoT werden IP-fähige Endknoten benötigt, um die einzelnen Geräte direkt mit dem Internet verbinden zu können. Durch die Integration des IPv6-Protokolls im IoT-Bus erhält jeder Knoten seine eigene IP-Adresse. Jeder IoT-Bus-Endknoten kann IPv6-Pakete versenden, empfangen und verarbeiten. So können beispielsweise Sensoren von Maschinen Statusmeldungen und Warnungen an mobile Endgeräte senden. Zuständige Personen können auf diese Meldungen schnell reagieren rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen und damit Ausfälle verhindern.

Durchgängigkeit der Protokolle

Die Kontinuität der Protokolle ermöglicht ein schnelles Paket-Routing zwischen dem drahtgebundenen IoT-Bus und kabellosen Netzwerken - ohne umfangreiche Protokollumsetzung. Aufgrund der IP-Fähigkeit der Endknoten können auf den höheren Ebenen Protokolle wie CoAP, MQTT, OPC UA und Webservices zur Anwendung kommen. Die Durchgängigkeit der Protokolle ermöglicht die MAC-Layer-Verschlüsselung des IEEE802.15.4-Protokolls auch beim Medienwechsel beizubehalten. Der Einsatz der IP-Protokoll-Suite erlaubt die Verwendung standardisierter Verschlüsselungs- und Sicherheitsverfahren auf dem Transport-Layer, wie beispielweise TLS oder D-TLS.

Sicherheitskonzept und IoT-Anwendung

Bei cloudbasierten Anwendungen ist eine sichere IP-basierte Kommunikation gefordert. Sie ermöglicht den Zugriff über IP-fähige Bediengeräte wie Smartphone, Tablet oder PC für eine Visualisierung oder Steuerung. Wenn eine vertrauliche oder manipulationssichere Datenverbindung notwendig ist, stehen durch den IoT-Bus standardisierte kryptologische Verfahren für Authentifizierung und Verschlüsselung zur Verfügung. Durch seine IP-Fähigkeit und Echtzeitfähigkeit ist der IoT-Bus für verschiedene Anwendungen innerhalb von Industrie 4.0, Gebäudeautomatisierung sowie Energiemanagement geeignet. Er ermöglicht eine Kommunikation zwischen Industrieanlagen, lokalen Betriebsmitteln, Energieerzeugern wie Photovoltaik- oder Windanlagen, aber auch Wärmepumpen und dem Internet. Systemkomponenten und Sensoren können an das IoT zur mobilen Zustandsüberwachung einfach angebunden werden. Außerdem können voneinander abhängige Fertigungsanlagen Informationen über den IoT-Bus austauschen. Bereits vorhandene Anlagen können so IP-fähig nachgerüstet werden.

IoT-Bus als CAN Range Extender

Durch sein Datencontainerkonzept ist es zusätzlich möglich eigene Protokolle zu übertragen (Tunnelung von Protokollen). In diesem Fall wird ein Datencontainer genutzt, der direkt auf den Link Layer zugreift und den IP-Pfad umgeht. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der IoT-Bus als Range-Extender für Feldbusse eingesetzt werden. Für das CAN-Protokoll ist diese Funktion bereits verfügbar. Damit können Komponenten mit CAN-Schnittstellen und auch komplette CAN-Netze über eine Distanz von 500m bei einer Datenrate von 1Mbit/s verbunden werden. Mittels konfigurierbarem Paketfilter kann ausgewählt werden, welche CAN-Nachrichten von einem CAN-Netz in das andere übertragen werden sollen. Geräte in der Gebäudeautomatisierung wie z.B. Solaranlangen, Batteriespeicher, Wärmepumpen und Energiemanagementsteuereinheiten können so in größeren Komplexen bequem über größere Distanzen verbunden werden.

Evolutionäre Kommunikationslösung

Der IoT-Bus ist eine drahtgebundene Kommunikationslösung mit IPv6-fähigen Endknoten. Der evolutionäre Ansatz erlaubt die einfache Integration weiterer Standardprotokolle in den Protokoll-Stack. Gegenüber drahtlosen Sensornetzen und WPAN-Lösungen zeichnet sich der IoT-Bus durch hohe Zuverlässigkeit, Robustheit und größere Reichweite bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aus. Der IoT-Bus befindet sich in der Entwicklung und kann zukünftig von interessierten Kunden lizensiert werden.