Verwenden Sie Gateways, um Herausforderungen bei der energiesparenden WLAN-zu-IoT-Überbrückung zu überwinden

Viele energieeffiziente drahtlose Schnittstellen und Protokolle, zum Beispiel Bluetooth Low Energy, ZigBee, Thread und andere, werden gern in intelligenten Sensor-Mesh-Anwendungen für Heim und Industrie eingesetzt. Doch wie Entwickler zu spüren bekommen, wurden diese HF-Protokolle entwickelt, bevor das Internet der Dinge (IoT) Realität wurde, und daher fehlt die Interoperabilität mit den Internetprotokollen (IPs) IPv4 und IPv6, sodass es schwierig wird, Designs für intelligente Sensorik, Automatisierung und Steuerung mit dem IoT zu verbinden.

Es gibt immer Möglichkeiten, dieses IP-Interoperabilitätsproblem zu umgehen, zum Beispiel durch die Transformation von Paketen oder den Einsatz einer IP-kompatiblen drahtlosen Schnittstelle. Die erste Option ist ineffizient und die zweite beschränkt die Wahlmöglichkeiten der Entwickler auf Wi-Fi.

In diesem Artikel steht eine dritte Option im Mittelpunkt: IoT-Gateways. Sie dienen als Netzwerkaggregatoren und verfügen oft über erweiterte Sicherheitsfunktionen und Optionen mit mehreren E/A für das Backhaul. Dieser Artikel beschreibt die Funktion und Merkmale von IoT-Gateways, stellt geeignete Lösungen vor und erläutert, wie man das Optimum aus ihnen herausholt.

Wireless-Optionen für das IoT

Auch ohne direkte IP-Interoperabilität zeichnen sich viele der beliebten energieeffizienten Funkschnittstellen und -protokolle durch gute Reichweiten und Durchsätze, Koexistenz mit anderen 2,4-GHz-Technologien und Unterstützung für Maschennetzwerke aus. (Siehe DigiKey-Artikel „Comparing Low-Power Wireless Technologies“ (Vergleich energiesparender Funktechnologien))

Bidirektionale drahtlose Konnektivität ermöglicht Benutzern die Fernüberwachung und Fernsteuerung von Systemen und zugleich die Analyse von Prozessdaten durch leistungsstarke cloudbasierte Algorithmen, um beispielsweise die Leistung zu optimieren, Energie zu sparen oder die Produktivität zu steigern.

Wie erwähnt gibt es drei Möglichkeiten, die fehlende IP-Interoperabilität energieeffizienter Drahtlosprotokolle zu überwinden. Die erste besteht in der Wahl eines Protokolls mit einer Netzwerkanpassungsschicht, die Pakete so transformiert, dass sie über ein IPv6-Netzwerk übertragen werden können. Manche Hersteller bieten Bluetooth Low Energy, ZigBee, Thread und andere HF-Protokollstacks, die eine 6LoWPAN- Transportschicht (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network) beinhalten. Im Allgemeinen funktionieren solche Stacks gut, sind aber komplizierter zu implementieren, benötigen mehr Prozessorressourcen und verbrauchen an jedem Knoten mehr Strom.

Die zweite Option ist der Einsatz eines Funkprotokolls mit nativer IP-Unterstützung. Hier ist Wi-Fi vielleicht das beste Beispiel. Eigentlich definiert Wi-Fi nur die physikalische (PHY), die Media-Access-Control- (MAC) und die Logical-Link-Control-Schicht (LLC) des Stacks. Aber Wi-Fi ist in puncto Internetkonnektivität so allgegenwärtig, dass Lieferanten in der Regel einen kompletten TCP/IP-Stack liefern, der auf den unteren Wi-Fi-Schichten basiert. Der Preis dafür ist, dass Wi-Fi-Knoten größer und teurer sind und mehr Strom verbrauchen als konkurrierende Drahtlostechnologien; daher sind sie nicht für alle Anwendungen geeignet.

Eine dritte Lösungsmöglichkeit ist die Nutzung eines IoT-Gateway. Diese Geräte sind abgeschlossene Einheiten, die sämtliche Software und Hardware enthalten, um die Lücke zwischen LAN und IoT zu schließen (Abbildung 1). Gateways sind auch eine gute Option für Entwickler mit begrenzter HF-Erfahrung und Entwickler, die einem älteren energieeffizienten Funknetzwerk Internetkonnektivität verleihen möchten.

Abbildung 1: Entwickler können sich für eine der drei Alternativen für die Anbindung von drahtlosen Sensornetzwerken an das IoT entscheiden. Die erste hier abgebildete Option zeigt, wie Wireless-Knoten mit einem IoT-Gateway verbunden werden, das als Brücke zum Internet dient. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Unterschied zwischen Gateways und Routern

Gateways sind nicht mit Routern gleichzusetzen. Ein Router ist ein einfacheres Gerät, weil er Knoten verbindet, die ein gemeinsames Protokoll nutzen und er nur Daten, die über das Protokoll zum Internet und zurück übermittelt werden, weitergeben muss. Wi-Fi-Router sind ein gutes Beispiel: Sie routen Daten zwischen IP-fähigen Mobilgeräten wie Smartphones sowie tragbaren Computern und dem Internet ohne Interaktion.

Im Gegensatz dazu sammelt ein IoT-Gateway Daten aus verschiedenen drahtlosen Quellen und Schnittstellen und überführt sie in das Internet. Manchmal wird ein Gateway zusammen mit einem Router verwendet, um die Implementierung zu vereinfachen. Der Hauptvorteil eines Gateways ist, dass individuelle Netzwerkknoten kein IP unterstützen müssen und die entsprechende Komplexität und die damit einhergehenden Kosten entfallen.

Gateways selbst können einfach oder komplex sein. Ein einfaches Gerät organisiert und „transformiert“ von Knoten erhaltene Pakete so, dass sie über das Internet übertragen werden können. Außerdem transformiert ein einfaches Gateway aus dem Internet erhaltene Pakete und verteilt sie über das Netzwerk an die Knoten.

Komplexere Gateways erfüllen nicht nur diese Rolle, sondern enthalten auch modernste Sicherheitsfunktionen und Ressourcen für die gesamte oder teilweise Anwendungsverarbeitung (wenn sie sich diese Aufgabe mit den Knoten teilen). Der Vorteil dieses Systems ist, dass die Knoten einfacher und billiger ausfallen und einen geringeren Stromverbrauch haben können. In einem System mit vielen Knoten kostet es weniger, die Prozessorleistung am Gateway zu konzentrieren als sie auf all die Knoten zu verteilen. Komplexere Gateways können auch sicherstellen, dass das LAN weiter funktionstüchtig ist, wenn die Internetverbindung unterbrochen wird, und können Knotendaten für die Übertragung in die Cloud bei wiederhergestellter Internetverbindung puffern.

Gateway-Lösungen

Einige Hersteller liefern IoT-Gateway-Lösungen als Massenprodukte. Diese Geräte werden in der Regel mit Netzstrom gespeist und sind für die verschiedensten Wireless-Schnittstellen – darunter einige Low-Power-HF-Protokolle – konfigurierbar. Die Anbindung an das IoT erfolgt meist über eine drahtlose IP-basierte WAN-Schnittstelle wie Wi-Fi (oder eine verdrahtete, z. B. Ethernet). Manche neuere Ausführungen beinhalten einen Internetzugang über das Mobilfunknetz oder proprietäre WAN-Technologien wie LoRaWAN.

WAN-Technologien nutzen in der Regel gewichtige Stacks, die von Betriebssystemen wie Linux gesteuert werden. Um den Rechenanforderungen solcher Firmware gerecht zu werden, sind kommerzielle IoT-Gateways mit leistungsstarken integrierten Mikrocontrollern ausgestattet.

Weiter entwickelte Gateways unterstützen mehrere Netzwerkplattformen, zum Beispiel HSDK, NAT64, PC-BLE-Serialization und LoRaWAN Gateway Bridge, sowie mehrere Cloud-Dienste, zum Beispiel von Amazon, Microsoft, Ayla und IBM. Diese hochmodernen Einheiten bieten auch Funktionen wie Fernverwaltung für die Installation von Apps, Firmware-Updates und Konfigurationsänderungen, Firmware-Updates für Endgeräte und Fernverwaltung von Mesh-Netzwerktopologien und -geräten.

Das IoT-Gateway der Vesta-Serie von Rigado ist ein gutes Beispiel für die neueste Generation konfigurierbarer Gateways. Das Produkt nutzt einen Anwendungsprozessor NXP i.MX6 UltraLite Arm^® Cortex^®-A7, auf dem das Betriebssystem Yocto Linux ausgeführt wird. Es unterstützt 2,4- und 5-GHz-Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n), Bluetooth 4.2, Bluetooth Low Energy und IEEE 802.15.4 (einschließlich Thread). Außerdem verfügt das Gateway über Ethernet mit IEEE 802.3af Power over Ethernet (PoE) und USB 2.0. Es wird über eine Stromversorgung mit 4,5 bis 5,5 Volt oder über die PoE-Verbindung versorgt. Mobilfunk- und LoRaWAN-Erweiterungen sind laut Rigado in Arbeit.

Das FX30 IoT Gateway von Sierra Wireless glänzt ebenfalls mit einem Anwendungsprozessor Arm^® Cortex^®-A7 und nutzt das Open-Source-Betriebssystem Yocto Linux (Abbildung 2). Die Internetverbindung erfolgt über Mobilfunkinfrastruktur (LTE Cat 1) und das Gerät kann über einen IoT-Verbinder-Erweiterungseinschub Wi-Fi-, Bluetooth- und ZigBee-Eingaben empfangen. Das Standardgerät ist nur für verdrahtete Schnittstellen wie Ethernet und USB ausgelegt und nutzt eine Stromversorgung mit 4,75 bis 32 V. Bemerkenswert an diesem Gateway ist sein geringer Stromverbrauch – weniger als 1 W im Standbymodus und 2 Milliwatt (mW) im Ruhemodus – und seine robuste Konstruktion. Es erfüllt MIL-STD-810 in Bezug auf Vibrations- und Stoßfestigkeit und verfügt über einen Betriebstemperaturbereich von -30 bis +75 °C, sodass es sich gut für industrielle Anwendungen eignet.

Abbildung 2: Das FX30 IoT-Gateway von Sierra Wireless stellt die Internetverbindung über Mobilfunktechnologie her. (Bildquelle: Sierra Wireless)

Ein drittes Beispiel für kommerzielle Gateways stammt von Laird Technologies. Die Serie Sentrius RG1xx nutzt LoRaWAN, eine energieeffiziente WAN-Technologie für Internetkonnektivität mit hoher Reichweite. Die Geräte nutzen einen integrierten Atmel-A5-Mikroprozessor und Linux. Zusätzlich zu LoRaWAN bieten die Geräte rahtlosschnittstellen in Form von 2,4- und 5-GHz-Wi-Fi, Bluetooth 4.0 und Bluetooth Low Energy D sowie eine Ethernet-Schnittstelle. Aufgrund der hohen Reichweite ist Sentrius für intelligente Stromzähler, Industrieautomatisierung und landwirtschaftliche Anwendungen konzipiert.

Inbetriebnahme eines Gateway

IoT-Gateways wie die von Rigado, Sierra Wireless und Laird Technologies ermöglichen die Anbindung von energieeffizienten drahtlosen Netzwerken an das Internet und an Cloud-Dienste, ohne dass komplexe Überbrückungshardware und Firmware entwickelt werden muss. Etwas Entwicklungsarbeit ist allerdings dennoch erforderlich, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Sinnvollerweise bieten die Hersteller von IoT-Gateways in der Regel Produkte, Tools und Dienste an, die diesen Entwicklungsprozess erleichtern.

Das Sentrius von Laird ist beispielsweise für eine Verbindung mit dessen LoRaWAN/Bluetooth Low Energy-Wireless-Modulen der Serie RM186/191 für Drahtlossensor-Anwendungen ausgelegt. Diese Module verbinden den Komfort und die Smartphone-Interoperabilität von Bluetooth Low Energy mit der höheren Reichweite (bis zu 15 km) von LoRaWAN. Laird bietet ein Entwicklungskit, das DVK-RM186-SM-01, das den Prozess der Verbindung der Module mit dem Sentrius-Gateway erleichtert. Mit der Node-RED-Entwicklungsumgebung und zugehörigen Leitlinien des Unternehmens wird der Prozess recht überschaubar.

Sierra Wireless schlägt vor, die Open-Source-Linux-Plattform Legato zu verwenden, um das FX30 IoT-Gateway mit der Cloud zu verbinden. Legato verfügt über einen „Anwendungsandkasten“, der eine sichere Umgebung für die Ausführung und Steuerung mehrerer Anwendungen bietet. Außerdem bietet die Plattform Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs), mit denen Entwickler eine Verbindung in die Cloud herstellen können.

Für diejenigen, die Netzwerke auf höherem Niveau entwickeln müssen, bietet Legato eine Eclipse-basierte integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) mit mehrsprachigem Support und eine Suite von Diagnosewerkzeugen für Debugging, Fehlersuche, Überwachung und Profilierung, lokal wie aus der Ferne.

Daten in die Cloud senden

Rigado hat drahtlose Netzwerke und Cloud-Konnektivität weiter vereinfacht: Das IoT-Entwicklungskit VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK umfasst ein Vesta-Gateway und ein Thingy:52-Bluetooth-Low-Energy-Entwicklungskit von Nordic (Abbildung 3). Mit dem Entwicklungskit können Ingenieure Prototypenlösungen erstellen, die Bluetooth-5/Bluetooth-Low-Energy-Sensoren mit der Cloud verbinden. Der Vorteil der Arbeit mit dem IoT-Entwicklungskit besteht darin, dass keine HF-Erfahrung erforderlich ist, weil der Thingy:52-Sensor bereits für die Kommunikation mit dem Vesta-Gateway konfiguriert ist. Das Prototyping wird dadurch weiter vereinfacht, dass Rigados Node-RED-Entwicklungsumgebung eine Demo-Anwendung enthält, die Daten vom Thingy:52-Sensor über das Vesta-Gateway an den Cloud-Dienst Amazon Web Services (AWS) leitet.

Abbildung 3: Das IoT-Entwicklungskit VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK von Rigado umfasst ein Vesta-Gateway und das IoT-Entwicklungskit Nordic Thingy:52 von Nordic Semiconductor. Die Node-RED-Entwicklungsumgebung von Rigado vereinfacht die Konfiguration des Gateways. (Bildquelle: Rigado)

Daten von den verschiedenen Sensoren des Nordic Thingy:52 über das Vesta-Gateway an AWS zu senden ist eine einfache Aufgabe. Vesta wird zuerst als Wi-Fi-Zugangspunkt konfiguriert und über einen Browser mit dem Wi-Fi-Netzwerk des Entwicklers verbunden. Beim Klicken auf eine angegebene URL startet die Node-RED-Anwendung, die dann automatisch nach dem Nordic Thingy:52 sucht, eine Verbindung herzustellen versucht und nach dem Universal Unique Identifier (UUID) sucht. Ist eine Verbindung hergestellt, werden Sensordaten aus dem Nordic Thingy:52 gelesen und an das AWS und das Dashboard der Node-RED-Anwendung gesendet. Vom Dashboard aus können Änderungen vorgenommen werden, um zu filtern, welche Informationen übertragen werden und wie oft übertragen wird.

Die Node-RED-Entwicklungsumgebung bietet auch eine einfache Möglichkeit für erfahrene Entwickler, browserbasierte Arbeitsabläufe zu erstellen, um Verbindungen zu Hardwaregeräten, Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) und Cloud-Diensten herzustellen.

Wird ein Sensornetzwerk über ein IoT-Gateway mit der Cloud verbunden, steigt die Nützlichkeit des Systems um ein Vielfaches. Cloud-Dienstanbieter stellen in der Regel Infrastruktur für die Handhabung der Sensor-Rohdaten und die Bearbeitung und Analyse dieser Daten bereit und präsentieren nützliche Informationen oder Feedback dazu.

Nutzen Sie zum Beispiel das AWS-Cloudsystem, stellt Vesta Gateway eine kompatible Verbindung zum API-Gateway von AWS her (Abbildung 4). Mithilfe des API-Gateway können Entwickler eine API erstellen, konfigurieren und hosten, damit Vesta-Gateway-Anwendungen Zugang zur Cloud haben. Eine Anwendung kann die API beispielsweise verwenden, um Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten von den integrierten Sensoren des Nordic Thingy:52 hochzuladen. Die Rohdaten können dann in einem Amazon-S3-Bucket oder einem Amazon-DynamoDB-Datenbankdienst gespeichert werden.

Abbildung 4: Das Vesta Gateway nutzt den AWS-Cloud-Dienst von Amazon, um Daten zu sammeln und zugehörigen Code auszuführen. (Bildquelle: Rigado.)

Ein weiteres Element von AWS, AWS Lambda, bietet einen Computing-Service, mit dessen Hilfe cloudbasierter Code ausgeführt werden kann, ohne Server bereitzustellen oder zu verwalten. AWS Lambda unterstützt Node.js, Java, C#, und Python.

Ein Entwickler könnte zum Beispiel Code verwenden, der auf AWS Lambda ausgeführt wird, um mithilfe von Daten, die vom Nordic Thingy:52 gesendet werden, über Temperatur- und Feuchtigkeitsextreme und -mittelwerte innerhalb eines Tages, einer Woche und eines Monats zu berichten.

Es ist relativ einfach, AWS Lambda für die Ausführung von Code als Reaktion auf Auslöserereignisse wie bestimmte Änderungen an Daten im Bucket oder in der Datenbank zu konfigurieren. Ein Entwickler könnte beschließen, Code ausführen zu lassen, der eine Benachrichtigung an ein Smartphone sendet, wenn die Temperatur oder Feuchtigkeit einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.

Ist das Prototyping abgeschlossen, kann die Rigado-Familie der auf Nordic Semiconductor basierenden Module für Bluetooth-5/Bluetooth-Low-Energy-Drahtlossensor-Netzwerkanwendungen anstelle des Nordic Thingy:52 eingesetzt werden, um ein fertiges Design für die Produktion herzustellen.

Fazit

Cloud-Konnektivität ist unverzichtbar, sollen die Vorteile der intelligenten Drahtlos-Technologie maximiert werden. Sie herzustellen bleibt jedoch eine große technische Herausforderung, weil die beliebten energieeffizienten Drahtlosprotokolle und IP nicht interoperabel sind. Eine praktische und schnelle Lösung ist der Einsatz eines IoT-Gateways, eines Drop-in-Geräts, das Drahtlossensor-Netzwerke mit minimalem Designaufwand an die Cloud anbindet.