Softwarelösung für das Internet der Dinge

IoT-Bus – Der sichere Weg ins Internet

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt derzeit mit dem IoT-Bus den ersten Feldbus mit IPv6-Unterstützung und integriertem Sicherheitskonzept. Es handelt sich hierbei um einen Kommunikationsbus auf Basis von EIA/RS-485 und des IEEE 802.15.4 Standards, der eine sichere und zuverlässige Übertragung von Messwerten und Steuerbefehlen und eine Anbindung an das Internet der Dinge ermöglicht. Der IoT-Bus schafft eine medienübergreifen Kommunikation und verbindet die beiden Welten von WPAN und Feldbussen ohne komplexe Protokollumsetzung. Im Rahmen des Projekts SEEDs  entsteht die neuartige Technologie IoT-Bus.

Kommunikation im Internet der Dinge

Innerhalb der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung in den Bereichen Industrie 4.0, Energiemanagement und Facility Management, gewinnt die IP-Fähigkeit von Endkonten immer mehr an Bedeutung. Das Internet of Things hat spezielle Forderungen an Datenrate, Reichweite, Zuverlässigkeit, Kosten, Flexibilität, Interoperabilität und Datensicherheit. Die Durchgängigkeit der Protokolle und der nahtlose Datenfluss über verschiedene Domänen sind wesentlich, um das IoT zu ermöglichen. Die Internetanbindung bringt jedoch Sicherheitsrisiken bei der Datenmanipulation und Cyber-Angriffe mit sich.

IoT-Bus im Interview

Das Besondere am IoT-Bus, seine Eigenschaften und mögliche Anwendungen:


Hinweis: Mit dem Starten des Videos werden Daten an youtube übertragen.

Manipulationssichere Datenverbindung im Internet der Energie

Im Bereich Energiemanagement wird eine einfache, jedoch sichere und zuverlässige Vernetzung von lokalen Betriebsmitteln, Erzeugern und Verbrauchern durch die Dezentralisierung der Stromerzeugung immer notwendiger. Besonders 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. Das Fraunhofer IIS entwickelt derzeit einen Kommunikationsbus, der neben einer lokalen Kommunikation auch eine direkte Anbindung von Systemkomponenten an das Internet ermöglicht. Durch den IoT-Bus wird eine sichere Übertragung mit höheren Datenraten und größeren Distanzen als konventionelle Feldbusse ermöglicht. Wenn eine vertrauliche oder manipulationssichere Datenverbindung notwendig ist, stehen durch den IoT-Bus standardisierte kryptologische Verfahren für Authentifizierung und Verschlüsselung zur Verfügung.

Funktionsweise

Der IoT-Bus ist ein Feldbus mit IPv6-Unterstützung und integriertem Sicherheitskonzept. Er kombiniert die Vorteile der nativen Internet-Protokoll-Unterstützung mit den Vorteilen eines Feldbusses hinsichtlich Reichweite, Zuverlässigkeit, Robustheit und geringer Latenz.

Diese Technologie basiert auf einer Adaption des Kommunikationsstandards IEEE 802.15.4, welcher der de facto Standard für Wireless Personal Area Networks (WPAN) und Sensornetze ist und ermöglicht somit den drahtgebundenen Einsatz dieser Protokolle. Das Konzept sieht eine Kommunikation über 2- bzw. 4- Drahtleitungen vor. Die 4-Drahtlösung ermöglicht zusätzlich zur Kommunikation die Spannungsversorgung der Kommunikationsknoten über den Bus.

Durch die Verwendung und Anpassung von IEEE Std. 802.15.4 ermöglicht der IoT-Bus einen Medium übergreifenden Kommunikationskanal. So kann ohne Protokollbruch ein durchgängiges Kommunikationsnetzwerk mit drahtgebundenem IoT-Bus und IEEE Std. 802.15.4 Funkknoten realisiert werden. Mittels eines speziellen Zugriffsverfahrens ermöglicht der IoT-Bus eine echtzeitfähige Kommunikation. Die serielle Schnittstelle nutzt den Standard nach EIA-485 (RS-485), bietet aber auch hier Anpassungsmöglichkeiten an weitere Schnittstellen.

Gesamtsystemaufbau vom IoT-Bus

Das Gesamtsystem besteht aus bis zu drei verschiedenen physikalischen Kommunikationsstrecken, dem eigentlichen IoT-Bus (1) auf Basis des IEEE Std 802.15.4 mit angepassten Bus-Zugriffsverfahren, welcher durch IEEE 802.15.4 Funkknoten (2) erweitert werden kann und einer Internet-Anbindung (3) über den IoT-Bus Router.

Einfache und flexible Integration von Standardprotokollen

Der IoT-Bus nutzt 6LoWPAN und realisiert damit die IPv6-Fähigkeit der Endknoten. Damit können konzeptionell alle Protokolle, die auf TCP/IP aufbauen zur Anwendung kommen. Die Endknoten können unter anderem Sensoren, Aktoren oder allgemein »Dinge« im Kontext »Internet of Things« sein. Sie können einfach mit dem Internet kommunizieren oder an die Cloud angebunden werden.

Zusätzlich bietet der IoT-Bus durch sein Datencontainerkonzept die Möglichkeit einer sogenannte »Tunnelung« von Nachrichten und Protokollen, wie beispielsweise von CAN Nachrichten. Diese Funktionalität kann für eine Reichweitenerhöhung, von an sich reichweitenlimitierter Feldbussen, verwendet werden. Die Tunnelung von CAN Nachrichten erfolgt derzeit im Projekt SEEDs.

Gegenüber drahtlosen Sensornetzen und WPAN Lösungen zeichnet sich der IoT-Bus durch höhere Zuverlässigkeit, Robustheit und größere Reichweite bei Punkt-zu-Punkt Verbindungen aus. Im Vergleich mit gängigen Gebäudebussystemen sprechen für den IoT-Bus die IP-Fähigkeit, die IT-Sicherheit und die Möglichkeit der Echtzeitfähigkeit.

 

Alleinstellungsmerkmale des Kommunikationsbusses

  • Brücke zwischen der drahtgebunden und drahtlosen Welt
        IPv6-basierter Feldbus mit Cross-Media-Kommunikation
     
  • Ideale Kombination aus Datenrate und Reichweite für IoT-Anwendungen
        Datenrate bis 1 Mbit/s bei einer Reichweite von bis zu 500 Metern
     
  • Echtzeitfähigkeit
        Durch deterministisches Buszugriffsverfahren
     
  • IPv6-Fähigkeit der Endknoten
        IoT-Fähigkeit durch Unterstützung von Internet Standards (6LoWPAN, UDP, IPv6, etc.)

  • Durchgängigkeit der Protokolle
        Direkte Kompatibilität zu IEEE 802.15.4 basierenden Funkknoten

  • Ermöglicht die Übertragung standardisierter Anwendungsprotokolle
        MQTT, MQTT-S, OPC-UA, CoAP

  • Optional aktivierbare IT-Sicherheit durch integriertes Sicherheitskonzept
        Einsatz von standardisierter Verschlüsselungsverfahren (TLS, D-TLS)

  • Kein zusätzliches Gateway notwendig
        Schnelles Paket-Routing ohne Protokollumsetzung

Anwendungen

  • Kommunikation zwischen lokalen Betriebsmitteln, Erzeugern, Verbrauchern auch über größere Entfernungen
  • Optimierung des Energieflusses und Energiemanagement
  • Intelligente Gebäudeautomatisierung
  • Kommunikation für eine inhouse Grid Steuerung (DC und AC)
  • Direkte Anbindung von Systemkomponenten an das Internet of Energy
  • Anbindung von Smart Meter (für die lokale Kommunikation)
  • Anbindung von Systemkomponenten an das Internet der Dinge

Mögliche Anwendungsgebiete

Durch seine IP-Fähigkeit und Echtzeitfähigkeit ist der IoT-Bus für verschiedenste Anwendungen innerhalb von Industrie 4.0, Gebäudeautomatisierung sowie Energiemanagement geeignet.

CAN Range Extender

Durch sein Datencontainerkonzept ist es möglich eigene Protokolle zu übertragen. Damit kann der IoT-Bus als Range-Extender eingesetzt werden. Für das CAN-Protokoll ist diese Funktion bereits verfügbar. Mittels eines Paketfilters kann ausgewählt werden, welche Nachrichten von einer CAN-Domäne in das andere übertragen werden sollen.  

IoT-Bus für Industrie 4.0

Mit dem IoT-Bus können voneinander abhängige Fertigungsanlagen Informationen austauschen. Bereits vorhandene Anlagen können so IP-fähig nachgerüstet werden, um füt für Industrie 4.0 Anwendungen zu werden.

Gebäudemanagement

Geräte in der Gebäudeauto-matisierung wie z. B. Jalousien, Heizkörper, Klimaanlage und Licht können mit dem IoT-Bus in größeren Komplexen bequem über weite Distanzen verbunden werden. Die Kommunikation für automatisierte und manuelle Steuerung wird somit ermöglicht.

Mit dem IoT-Bus zur digitalen Produktion

Als unabhängiges Forschungsinstitut unterstützt das Fraunhofer IIS die deutsche Wirtschaft dabei, die beste Lösung für Ihre Probleme zu finden. Der IoT-Bus unterstützt derzeit IPv6 und UDP. Zusätzlich kann der IoT-Bus das CAN Protokoll tunneln und somit als Range-Extender für CAN zum Einsatz kommen.

Der nächste Schritt ist, den IoT-Bus für Anwendungen im Internet der Dinge und digitalen Produktion mit IT-Sicherheit auszustatten und die höheren Anwendungsprotokolle zu implementieren (OPC-UA, MQTT und CoAP). Wir wissen, wie er die zukünftige IP-Fähigkeit erlangen kann, jedoch erahnen wir nur Ihre Anforderungen. Sie haben nun die Möglichkeit, von der ersten Entwicklungsphase, die Eigenschaften und Funktionen nach Ihren Wünschen und Bedingungen zu gestalten. Wir freuen uns auf Ihr Feedback und eine mögliche, gute Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IIS.

Weitere Informationen finden Sie hier.

Der IoT-Bus wurde 2017 für den embedded AWARD nominiert