Industrie 4.0

Das Internet der Dinge im industriellen Einsatz

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Zweifellos profitiert die Vielseitigkeit und Beobachtbarkeit eines Produkts von diesen Vorteilen. Für die Hersteller kommt es aber darauf an, dass sich diese Funktionalität möglichst ohne Mehrkosten implementieren lässt. Entscheidend ist darüber hinaus, dass die Verbindungsaufnahme mit dem jeweiligen Gerät unkompliziert, zuverlässig und sicher erfolgen muss. Sowohl für Wi-Fi als auch für Bluetooth existieren hierfür definierte, bekannte Methoden.

Bild 2: Der mit Bluetooth SPP arbeitende Display-Adapter fungiert zusätzlich als Gateway zur Cloud.
Bild 2: Der mit Bluetooth SPP arbeitende Display-Adapter fungiert zusätzlich als Gateway zur Cloud.
(Bild: Texas Instruments)
Bei Wi-Fi ist der AP-Modus (Access Point) die gängigste Point-to-Point-Übertragungsmethode (P2P) für Geräte ohne eigene Bedienoberfläche. Die Verbindungsaufnahme kann per WPA (Wi-Fi Protected Access) erfolgen. In Frage kommt jedoch auch das weniger sichere WPS-Verfahren (Wi-Fi Protected Setup), da sich das mobile Display meist ohnehin in einer sicheren Umgebung nahe dem jeweiligen Gerät befinden dürfte, sodass die PBC-Technik (WPS Push-Button) genutzt werden kann. Wi-Fi kann ebenfalls mit einem Open AP oder ohne Layer-2-Sicherheit implementiert werden. In diesem Fall muss auf Layer 3 mit Web-Zugangskontrolle und/oder VPN-Services für die nötige Sicherheit gesorgt werden.

Wi-Fi Direct und Bluetooth als Übertragungstechniken

Als Alternative kommt Wi-Fi Direct in Betracht. Entsprechend ausgerüstete Geräte können sich gegenseitig ebenso erkennen wie die von ihnen unterstützten Peer-Services. Das mobile Display erkennt somit sowohl den Wireless Display Adapter als auch das Gerät, an das der Adapter angeschlossen ist. Die Verbindungsaufnahme erfolgt normalerweise per WPS mit PBC oder PIN, während die Datenverschlüsselung per WPA2 vorgenommen wird. Für den Anwender stellt sich dies annähernd wie eine Bluetooth-Verbindung dar, allerdings mit den Wi-Fi-typischen Vorteilen der größeren Übertragungsdistanz und der größeren Bandbreite. Allerdings wird Wi-Fi Direct derzeit nicht von allen Mobilgeräten unterstützt.

Bekannter und unkomplizierter ist dagegen Bluetooth. Das Serial Port Profile (SPP) erlaubt die Datenübertragung in anwenderdefinierten Formaten und hat derzeit in der Industrie die größte Verbreitung, speziell wenn wie in Bild 2 mehrere Streams gebündelt werden.

Bild 3: Bluetooth-Softwarestack für das PAN-Profil (A) und das SPP-Profil (B)
Bild 3: Bluetooth-Softwarestack für das PAN-Profil (A) und das SPP-Profil (B)
(Bild: Texas Instruments)
Wenn die Display-Informationen einem Web-Browser zugeführt werden sollen oder es ein Internet-Messaging-Protokoll zu unterstützen gilt, kann das PAN-Profil die bessere Wahl sein. Bild 3 zeigt die Stack-Partitionierung des SPP- und des PAN-Profils. PAN kapselt die IP-Paketdaten für den Bluetooth-Datenkanal unabhängig davon, ob es sich um die heute üblichen IPv4-Pakete oder um die IPv6-Pakete handelt, die schon bald das Rückgrat für das IoT der Zukunft bilden werden.

Die Verbindungsaufnahme erfolgt so, wie man es von Bluetooth-Audiogeräten her kennt. Eine Abweichung gibt es indes bei der Authentifizierung. Die im Audiobereich übliche Eingabe einer vierstelligen PIN mag für das Consumer-Segment angemessen sein, sie ist aber für industrielle Anwendungen zu unsicher. Stattdessen werden 16 alphanumerische Zeichen als Schlüssel verwendet, die deutlich mehr Sicherheit für die Datenübertragung bieten. Nach erfolgter Verbindungsaufnahme kann der Schlüssel im Speicher des Geräts abgelegt werden, sodass er bei einem erneuten Aufbau der Verbindung nicht wieder eingegeben werden muss.

Drahtlose Input/Output-Adapter

Diese Adapter dienen als schlichter Ersatz für bestehende leitungsgebundene I/O-Ports. Die drahtlose Technik bietet den Vorteil der einfacheren Verbindungsaufnahme zu Geräten, die sich schwierig oder nur mit hohen Kosten per Kabel anschließen lassen. Im Folgenden sollen einige verschiedene Implementierungen mit Wi-Fi und 6LoWPAN verglichen werden, wobei Anwendungen mit geringer Bandbreite im Mittelpunkt der Betrachtung stehen.

Die Bedeutung der Latenzzeit

Einen hohen Stellenwert hat der Latenzaspekt. Unter der Latenz versteht man in der Regel die Zeit zwischen dem Senden eines Bytes und dem Empfang dieses Bytes durch den Empfänger. Im Fall des drahtlosen I/O-Adapters aber wird die Laufzeit hin und zurück zugrunde gelegt, da normalerweise ein Command-Response-Protokoll zum Einsatz kommt. Es sollte hierbei kein spürbarer Unterschied erkennbar sein, ob das Absenden eines Diagnosebefehls und der Eingang der entsprechenden Reaktion leitungsgebunden oder drahtlos erfolgt.

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