Das IoT (Internet der Dinge) und speziell IoT Protokolle, sind ein mächtiges Tool für jeden, der die Digitalisierung vorantreiben will. Eine wichtige Komponente für den Erfolg oder Misserfolg eines IoT Projektes ist die Auswahl des passenden IoT Protokoll für die drahtlose Kommunikation.

In diesem Beitrag lernst du die wichtigsten Protokolle kennen und bekommst einen Überblick, welches IoT Protokoll das richtige für dein Projekt ist.

Es gibt verschiedene IOT-Kommunikationsprotokolle, die bei der Kommunikation zwischen den Geräten im IoT-Netzwerk verwendet werden.

Da für dein Produkt eine Vielzahl von drahtlosen Kommunikationsprotokollen zur Verfügung stehen, kann es schwierig sein, das richtige Protokoll auszuwählen. Sobald der Anwendungsbereich der IoT-Anwendung festgelegt ist, wird es jedoch einfacher. Im Folgenden werden einige im IOT verwendete Protokolle mit ihren Eigenschaften und Anwendungen kurz erläutert.

Hauptunterscheidungsmerkmale von IoT Protokollen

Grundsätzlich wurden verschiedene Protokolle entwickelt um den verschiedenen Anforderungen von IoT Produkten und Services gerecht zu werden. So braucht ein kleiner Sensor, welcher nur die Temperatur misst z.B. nur geringe Datenmengen zu übertragen und sol vielleicht nur wenig Energie verbrauchen und ggf. mobile sein. Ein andere Sensor soll evtl. viele Daten übertragen und befindet sich an einem festen Standort mit einer Spannungsversorgung über das 220 V Netz.

Beim Design von IoT Produkten und Services ergibt sich ein Spannungsfeld zwischen:

  • Reichweite
  • Datenmenge
  • Energie Effizienz
  • und Latenzen für die Übertragung von Daten

Die gute Nachricht ist, dass es für die Verschiedenen IoT Anforderungen inzwischen sehr gute Protokolle gibt. Die Kunst ist nur das richtige zu identifizieren und zu integrieren.

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity) ist das beliebteste IoT Protokoll für drahtlose lokale Netzwerke (WLAN), das den IEEE 802.11-Standard über die Frequenzen 2,4 GHz UHF und 5 GHz ISM nutzt. Wi-Fi bietet Internetzugang für Geräte, die sich in einer Entfernung von etwa 20 – 40 Metern von der Quelle befinden. Es hat eine Datenrate von bis zu 600 Mbps maximal, abhängig von der verwendeten Kanalfrequenz und der Anzahl der Antennen.

In eingebetteten Systemen sind ESP-Steuerungen von Espressif für den Aufbau von IoT-basierten Anwendungen sehr beliebt. ESP32 und ESP8266 sind die am häufigsten verwendeten Wifi-Module für eingebettete Anwendungen. Wir bei IOX haben inzwischen bereits verschiedene Projekte, die auf ESP32 und ESP8266 basieren, aufgebaut.



Was die Verwendung des Wi-Fi-Protokolls für IoT betrifft, gibt es einige Vor- und Nachteile zu berücksichtigen. Die Infrastruktur- oder Gerätekosten für Wi-Fi sind gering und die Bereitstellung ist einfach, aber der Stromverbrauch ist hoch und die Wi-Fi-Reichweite ist recht moderat. Daher ist Wi-Fi vielleicht nicht die beste Wahl für alle Arten von IOT-Anwendungen, aber es kann für Anwendungen wie die Heimautomatisierung sehr gut verwendet werden.

Bluetooth

Bluetooth ist eine Technologie, die für den drahtlosen Datenaustausch über kurze Entfernungen verwendet wird. Sie verwendet kurzwellige UHF-Funkwellen mit Frequenzen von 2,4 bis 2,485 GHz im ISM-Band. Die Bluetooth-Technologie hat 3 verschiedene Versionen, die auf ihren Anwendungen basieren:

Bluetooth: Das Bluetooth, das in Geräten für die Kommunikation verwendet wird, hat heutzutage viele Anwendungen in IoT/M2M-Geräten. Es ist eine Technologie, mit der zwei Geräte drahtlos miteinander kommunizieren und Daten austauschen können. Sie arbeitet im 2,4-GHz-ISM-Band, und die Daten werden vor dem Senden in Pakete aufgeteilt und dann über einen der 79 Kanäle mit einer Bandbreite von 1 MHz gemeinsam genutzt.

BLE (Bluetooth 4.0, Bluetooth Low Energy): Das BLE hat einen einzigen Hauptunterschied zu Bluetooth, nämlich den geringen Stromverbrauch. Damit ist das Produkt kostengünstiger und langlebiger als Bluetooth.

iBeacon: Es handelt sich um eine vereinfachte Kommunikationstechnik, die von Apple verwendet wird und vollständig auf der Bluetooth-Technologie basiert. Das Bluetooth 4.0 überträgt für jeden Benutzer eine ID, die UUID genannt wird, und macht es für jeden zur Kommunikation zwischen iPhone-Benutzern.



Bluetooth hat viele Anwendungen, z.B. in Telefonen, Tablets, Medienabspielgeräten, Robotersystemen usw. Die Reichweite der Bluetooth-Technologie liegt zwischen 50 und 150 Metern, und die Daten werden mit einer maximalen Datenrate von 1 Mbps ausgetauscht.

Nach der Einführung des BLE-Protokolls gab es viele neue Anwendungen, die mit Hilfe von Bluetooth im Bereich der IoT entwickelt wurden. Sie fallen in die Kategorie der kostengünstigen Verbraucherprodukte und der Smart-Building-Anwendungen.

Wie Wi-Fi verfügt auch Bluetooth über ein Modul Bluetooth HC-05, das mit Entwicklungsplatinen wie Arduino oder Raspberry Pi verbunden werden kann, um Heimwerkerprojekte zu realisieren. Für Echtzeitanwendungen sind andere Module mit Unterstützung für Hochgeschwindigkeits- und Mesh-Netzwerk IoT Protokolle erforderlich.

Zigbee

ZigBee ist ein weiteres Iot-Wireless-Protokoll, das ähnliche Eigenschaften wie die Bluetooth-Technologie hat. Es folgt jedoch dem IEEE 802.15.4-Standard und ist ein Kommunikationsprotokoll auf hoher Ebene. Es hat einige Vorteile ähnlich wie Bluetooth, d.h. geringer Stromverbrauch, Robustheit, hohe Sicherheit und hohe Skalierbarkeit.

Zigbee bietet eine Reichweite von etwa 10 bis maximal 100 Metern, und die Datenrate zur Übertragung von Daten zwischen den kommunizierten Geräten liegt bei etwa 250 Kbps. Es hat eine große Anzahl von Anwendungen in Technologien wie M2M & IOT.

Da Zigbee in Bezug auf Datenrate, Reichweite und Stromverbrauch Beschränkungen aufweist, ist es nur für kleine drahtlose Anwendungen geeignet. Obwohl es einige Einschränkungen hat, bietet es eine 128-Bit-AES-Verschlüsselung und leistet einen großen Beitrag zur sicheren Kommunikation in der Heimautomatisierung und bei kleinen industriellen Anwendungen. Zigbee hat auch sein DIY-Modul XBee & XBee Pro, das mit Arduino oder Raspberry Pi-Boards verbunden werden kann, um einfache Projekte oder Anwendungsprototypen zu erstellen.

Z-Wave

Z-Wave ist ein Kommunikationsprotokoll, das speziell für Home-Automation-Produkte entwickelt wurde und auch als Low-Power-HF-Kommunikationstechnologie bekannt ist. Die Datenpakete werden mit Datenraten von maximal 100 kbps ausgetauscht, und das Protokoll arbeitet auf einer Frequenz von 900 MHz im ISM-Band. Es hat eine Reichweite von bis zu maximal 30 Metern. Es unterstützt die Steuerung von bis zu 232 Geräten. Der einzige Hersteller von Chips für diese Technologie ist Sigma Designs.

Das Z-Wave verfügt über das Modul ZIY (Z-Wave It Yourself), ein Arduino & Raspberry Pi kompatibles Board, das für Home-Automation-Anwendungen eingesetzt werden kann.

6LoWPAN

6LowPAN (IPv6 Low-Power Wireless Personal Area Network) ist ein Netzwerkprotokoll, das Datenkapselung und Header-Kompressionsmechanismen mit anderen Anwendungen wie Bluetooth & ZigBee unterstützt. Der Standard kann über mehrere Kommunikationsplattformen, einschließlich Ethernet, Wi-Fi, IEEE 802.15.4 und Sub-1GHz ISM, verwendet werden.

Es kann als Bluetooth 4.0 oder ZigBee angepasst werden und bei 2,4 GHz bzw. 900 MHz arbeiten. Es verbraucht wenig Strom und kann in einer Vielzahl von IOT– und M2M-Anwendungen eingesetzt werden.

Das 6LoWPAN IoT Protokoll hat einen 6LoWPAN L-Tek Arduino Shield, der mit dem Arduino-Board verbunden werden kann, um 6LoWPAN-Konnektivität in einem Frequenzband von 900 MHz zu erhalten.

RFID

Die Radiofrequenz-Identifikation (RFID) ist eine Technologie, die elektromagnetische Felder zur Identifizierung von Objekten oder Tags, die einige gespeicherte Informationen enthalten, verwendet. Die Reichweite von RFID variiert von etwa 10 cm bis maximal 200 m, und ein so großer Unterschied macht die beiden Reichweiten mit Namen wie Kurzreichweite und Langreichweite bekannt. Da die Reichweite einen großen Unterschied aufweist, hat auch die Frequenz, mit der die RFID-Technologie arbeitet, einen großen Unterschied, d.h. sie beginnt bei KHz und reicht bis GHz oder kann als Frequenzbereich von Niederfrequenz (NF) bis Mikrowelle bezeichnet werden, je nach Anwendung und Entfernung der Kommunikation.

RFID verfügt über ein RC522 Arduino & Raspberry Pi kompatibles Modul, das zur Erstellung einer IOT-basierten RFID-Anwendung oder von Anwendungsprototypen wie dem Attendace-System verwendet werden kann.

Mehr über RFID Tags kannst Du in unserem Beitrag über RFID Tags erfahren.

Cellular IoT Protokolle

Das Mobilfunknetz wird seit den letzten 2 Jahrzehnten genutzt und besteht aus den Kommunikationsprotokollen GSM/GPRS/EDGE(2G)/UMTS oder HSPA(3G)/LTE(4G). Diese IoT Protokolle werden im Allgemeinen für die Fernkommunikation verwendet. Die Daten können im Vergleich zu anderen Technologien in großem Umfang und mit hoher Geschwindigkeit gesendet werden.

IoT Protokoll: Alle wichtigen Kommunikationsprotokolle auf einen Blick
Funkmast, wie er für die Übertragung der Mobilen IoT Protokolle eingesetzt wird.

Die Betriebsfrequenzen reichen von 900 – 2100 MHz mit einer Reichweite von 35 km bis 200 km und die Datenraten, d.h. die Geschwindigkeit der Datenübertragung, liegt zwischen 35 Kbps und 10 Mbps.

Die Firma Quectel hat zellulare IoT-Produkte wie EC21, EC23, EG91 und viele weitere LTE-Standardprodukte, die auf 4G arbeiten. UMTS/HSPDA UC15, UC20, UC15 Mini & UC20 Mini sind die 3G-basierten IoT-Module, die von der gleichen Firma auf den Markt gebracht wurden.

NB-IOT

NB-IOT steht für Narrow Band Internet of Things, ist ein LPWAN, d.h. Low Power Wide Area Network Technologie. Die Technologie kann für Anwendungen eingesetzt werden, die einen geringen Stromverbrauch, eine Kommunikation über große Entfernungen und eine lange Zeit (große Batterielaufzeit) erfordern. Der Vorteil von NB-IOT ist, dass es eine gute Versorgungskapazität hat, d.h. das Signal kann durch Wände oder in unterirdische Bereiche übertragen werden, in die normale Mobilfunksignale nicht gelangen. Es hat eine Reichweite von maximal 10 km.

Quectel hat NB-IOT-Module wie LTE BC95, LTE BC68 und viele weitere Module eingeführt, die zur Erstellung von Echtzeitprodukten im Bereich IOT verwendet werden können.

Bei Interesse an der Entwicklung von NB IoT Applikationen kann unser Team von IOX gerne bei der Planung und Umsetzung unterstützen.

5G

5G ist die fünfte Generation des zellularen Netzwerkprotokolls. Es ist für die Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Smartphones und anderen Geräten (im Gegensatz zu den anderen zellularen Netzwerken) ausgelegt. Die Download-Geschwindigkeit wird im Durchschnitt bei etwa 1 Gbps liegen. Das Technologieprotokoll wird mit 3G- und 4G-Technologien zusammenarbeiten und würde einen enormen Anstieg der Internet of Things (IOT)-Technologie bewirken. Die Technologie wurde 2019 zu Testzwecken eingeführt und ist nur in einigen wenigen Städten der Welt verfügbar, soll aber 2020 weltweit eingeführt werden.

Wie bei den Modulen für 2G, 3G und 4G hat die Firma Quectel auch Module für 5G, nämlich RG500Q und RM500Q, die auf einem Frequenzband unter 6 GHz arbeiten und für Bauprodukte für die integration von IOT Protokollen verwendet werden können.

NFC

NFC (Near Field Communication) ist ein Protokoll, das für einfache und sichere Zwei-Wege-Interaktionen zwischen elektronischen Geräten verwendet wird. Es hat hauptsächlich auf Smartphones basierende Anwendungen wie die Ermöglichung kontaktloser Zahlungstransaktionen, den Zugriff auf digitale Inhalte und die Verbindung verschiedener elektronischer Geräte.

Es arbeitet mit einer Frequenz von 13,56 MHz im ISM-Band und der maximale Abstandsbereich beträgt etwa 10 cm bei einer Datenrate von 100-420 kbps. Es ersetzt die kartendurchziehende Zahlungstransaktion und kann für drahtlose Zahlungen verwendet werden.

Da es sich um ein gutes Protokoll für die IoT-Technologie handelt, gibt es verschiedene Module und Echtzeitprodukte, die dem NFC-Protokoll folgen.

Wie das Seeed Studio NFC-Schild, das DFRobot NFC-Modul, das Grove NFC und alle 3 sind Arduino und Raspberry Pi kompatibel. Für Echtzeitprodukte bietet NFC die Produkte CLRC663 plus, MFRC630, NTAG I2C plus.

LoRaWAN

LoRa wird heutzutage immer beliebter und wird im IOT-Netzwerkprotokoll verwendet. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) hat Anwendungen für große Entfernungen und wurde entwickelt, um die Kommunikation in IoT- und M2M-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch zu ermöglichen. Es kann Millionen von Geräten mit Datenraten von 0,3 kbps bis 50 kbps verbinden. Die Entfernung für LoRaWAN-Anwendungen reicht von 2 – 5 km für die städtische Umgebung und maximal 15 km für die vorstädtische Umgebung.

LTE-M

LTE-M ist auch als LTE (Long Term Evolution) Cat-M1-Protokoll bekannt. Es ist eine Technologie, die verwendet wird, um IoT-Geräte direkt mit dem 4G-Netz zu verbinden, ohne dass der Zugang über ein dazwischen liegendes Gateway erforderlich ist. Es bietet eine Datenrate von etwa 100 Kbps und die Chips sind weniger kostspielig. Da es weniger Daten überträgt, bietet es eine lange Batterielebensdauer für die Geräte.

Ein Modul namens LTE BG96 Cat M1-Modul wird verwendet, um IOT-basierte Produkte herzustellen, die auf dem LTE-M-Protokoll basieren. Dasselbe Modul unterstützt auch das LTE-Protokoll der Kategorie NB1 mit einer verbesserten Datenrate von 375 kbps im Downlink und Uplink.

Dies sind also die wichtigsten IoT Protokolle für die Kommunikation, welche für die Entwicklung von IoT-basierten Anwendungen verwendet werden.


Hast Du Fragen zum Thema IoT Protokoll? Schreib uns gerne eine E-Mail oder vereinbare direkt einen Termin:

Robert Jänisch,
CEO @ IOX

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