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 des IEEE 802.15.4 Standards, eine sichere und zuverlässige Übertragung von Messwerten und Steuerbefehlen und eine Anbindung das Internet der Dinge ermöglicht. Der IoT-Bus schafft ein medienübergreifendes Kommunikationsprotokoll und verbindet die beiden Welten von WPAN und Feldbussen ohne komplexe Protokollumsetzung. Im Rahmen des Projekts SEEDs  entsteht die neuartige Technologie IoT-Bus.

Sichere Kommunikation im Internet of Energy

Im Bereich Energiemanagement wird eine einfache, jedoch sichere und zuverlässige Vernetzung von lokalen Betriebsmitteln, Erzeugern und Verbrauchern durch die Dezentralisierung der Stromnetze immer notwendiger. Für das Internet of Energy entwickelt das Fraunhofer IIS 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 ermöglicht, als dies herkömmliche Feldbusse und kabellose Lösungen bieten. Durch automatische Adressvergabe und Zuordnung wird der Installationsprozess erleichtert.

Funktionsweise

Der IoT-Bus ist eine drahtgebundene Kommunikationstechnologie für Anwendungen im Kontext Energiemanagement, Facility Management, Industrie 4.0 und dem Internet of Things.

Der IoT-Bus 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 drahtlosen IEEE Std. 802.15.4 Knoten 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 evolutionäre Ansatz erlaubt die einfache Integration weiterer Standardprotokolle in den Protokollstack. Der IoT-Bus nutzt 6LoWPAN und realisiert damit die IPv6-Fähigkeit der Endknoten. Dies können unter anderem Sensoren, Aktoren oder allgemein »Dinge« im Kontext »Internet of Things« sein.

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 Feldbusse, verwendet werden, das derzeit im Feldversuch erprobt wird.

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 spricht für den IoT-Bus die Möglichkeit der Echtzeitfähigkeit, der IP-Fähigkeit und die IT-Sicherheit.

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
        Einsatz von standardisierter Verschlüsselungsverfahren (TLS, D-TLS)
  • Kein zusätzliches Gateway notwendig
        Schnelles Paket-Routing ohne Protokollumsetzung
     
  • Integriertes Sicherheitskonzept
        Basierend auf IEEE 802.15.4 und DTLS

Anwendungen

  • Kommunikation zwischen lokalen Betriebsmitteln, Erzeugern, Verbrauchern auch über größere Entfernungen
  • Optimierung des Energieflusses und Energiemanagement
  • Effektive 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

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 ist momentan für eine Kommunikation zwischen verschiedenen CAN-Anbindungen als Range Expander entwickelt und im Einsatz. Der nächste Schritt ist, den IoT-Bus für Anwendungen im Internet der Dinge und digitalen Produktion mit der IP-Fähigkeit auszustatten. 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.