Das Internet der Dinge wächst und expandiert, auch wenn IoT-Geräte tendenziell stagnieren. Dies bringt eine Reihe neuer Herausforderungen mit sich. Das vielleicht Wichtigste ist heute, wie man Milliarden kleiner Geräte, die über Haushalte, Städte und Lieferketten verstreut sind, miteinander kommunizieren lässt, ohne alle paar Wochen die Batterien wechseln zu müssen. Benutzer können ihre Smartphones und Smart-Home-Hubs aufladen, die drahtlosen Sensoren zur Überwachung des Maschinenzustands, der Beladung von Containerschiffen und Tausender anderer Dinge jedoch nicht.
Drahtlose Sensoren, die über Monate, Jahre oder sogar Jahrzehnte hinweg funktionieren können, ohne dass die Batterie leer wird, sind für die Zukunft des IoT von entscheidender Bedeutung, und das hängt von einer Kombination aus effizienter Hardware, intelligenter Software und geeigneter Netzwerktechnologie ab.
Erfahren Sie mehr über IoT-Sensoren mit geringem Stromverbrauch
Sensoren benötigen zum Betrieb normalerweise nicht viel Strom. Wenn sie nur ein paar Mal am Tag die Temperatur ablesen müssen, ist der Stromverbrauch nahezu vernachlässigbar. Sie haben jedoch noch zwei weitere Aufgaben: Daten verarbeiten (mit Mikrocontrollern) und Daten an andere Orte senden (mit einem Hochfrequenzsender). Dann verbrauchen Sensoren viel Strom.
Eine einfache Möglichkeit, den Stromverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, besteht darin, den Sensor mithilfe eines Alarmgeräts die meiste Zeit im „Schlafzustand“ zu halten. Dieses Alarmgerät verbraucht nur wenig Strom, bis es ein Signal an den Sensor sendet, das anzeigt, dass es Zeit ist, das Signal zu messen, zu verarbeiten und zu übertragen. Je weniger Strom dieses Alarmgerät verbraucht, desto länger funktioniert der Sensor, unabhängig davon, wie viel Strom die Datenverarbeitungsschaltkreise und HF-Sender verbrauchen.
Generell ist für den Versand großer Datenmengen über weite Distanzen viel Strom erforderlich. Daher sind sowohl das Senden einer minimalen Datenmenge als auch die Verwendung eines Verbindungsprotokolls mit geringem Stromverbrauch wichtig. Eine lokale Verarbeitung der Daten kann dazu beitragen, den Energieverbrauch während der Übertragung zu reduzieren. Es ist jedoch schwieriger, den besten Weg zum Senden der Daten zu finden, da unterschiedliche drahtlose Technologien in unterschiedlichen Fällen eine bessere Leistung erbringen. Es gibt jedoch eine ganze Reihe von Optionen, von stromhungrigen WLAN- und Mobilfunknetzen (wie GSM, GPSR, LTE usw.) bis hin zu Optionen mit geringem Stromverbrauch wie Zigbee und Sigfox.
Nicht alle IoT-Sensoren sind gleich: Einige werden Daten über dicht besiedelte städtische Gebiete übertragen, andere können in abgelegenen Berggebieten eingesetzt werden. Menschen können in Häusern und Fabriken eine ganze Reihe von Sensoren verwenden. Die Frequenzen, mit denen Sensoren arbeiten, sowie die Protokolle, die sie auf jeder Frequenz verwenden, variieren je nach Anwendungsfall und anderen Faktoren. Im Folgenden sind jedoch einige der gebräuchlichsten Protokolle aufgeführt, die in der Reihenfolge ihres Bereichs von kurz bis lang aufgeführt sind.
Z-Wave wird hauptsächlich für Heimautomatisierungszwecke verwendet und ist eine beliebte Low-Power-Technologie, die Mesh-Netzwerke unterstützt und im Sub-1-GHz-Band läuft, was dazu beiträgt, den Stromverbrauch und Störungen durch andere Geräte zu reduzieren.
Zigbee ist bisher im industriellen Internet der Dinge (IIoT) weit verbreitet und auf den Betrieb von Sensor- Mesh-Netzwerken mit kurzer Reichweite und geringem Stromverbrauch spezialisiert. Es minimiert die Zeit, in der die Funkwellen des Sensors aktiv sind, um den Stromverbrauch zu senken.
Sie können mehr sehen: Vergleichen Sie Zigbee und Z-Wave, zwei drahtlose Technologien für Smart Homes
Obwohl 6LoWPAN oft als Konkurrent von Zigbee angesehen wird, handelt es sich nicht um ein Anwendungsprotokoll. 6LoWPAN ist ein Netzwerkprotokoll, das auf IPv6 basiert , was bedeutet, dass jedes verbundene Gerät eine eigene eindeutige Identifikationsadresse hat. Dadurch ist 6LoWPAN problemlos mit bestehenden IP-basierten Systemen kompatibel und kann tatsächlich auf einer Vielzahl von Bändern betrieben werden, nicht nur auf einem einzelnen Band. 6LoWPAN ist noch nicht weit verbreitet, aber sein geringer Stromverbrauch bietet einige große Kompatibilitätsvorteile.
Bluetooth ist bereits in vielen Verbrauchergeräten integriert und hat mit der Einführung von Low-Power-Versionen einen großen Fortschritt für das IoT gemacht. Es unterstützt höhere Durchsatzniveaus und größere Reichweiten als einige andere Technologien. Aufgrund seiner Kompatibilität kann es für viele Anwendungen zur ersten Wahl werden.
HaLow wurde von der Wi-Fi Alliance als stromsparender Standard für die Verbindung von IoT-Geräten entwickelt und konkurriert vor allem mit Bluetooth, wenn es für Smart-Home-Geräte und Sensornetzwerke verwendet wird. Die 900-MHz-Frequenz bietet eine gute Reichweite und die Fähigkeit, Hindernisse zu durchdringen. Sehr hohe Durchsatzrate, sehr geringer Stromverbrauch. Es ist noch nicht weit verbreitet, dürfte aber gute Dienste leisten.
Für kleine Datenübertragungen mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch ist Sigfox kaum zu schlagen. Abhängig von der Umgebung können Daten über große Entfernungen gesendet werden. Der Durchsatz ist recht gering, was es zu einer schlechten Wahl für bandbreitenintensive Geräte macht, sich aber hervorragend für allgemeine Messgeräte und einfache Sensoren eignet. Sigfox ist in Europa, den USA, Australien und Asien weit verbreitet.
Ihre Allgegenwärtigkeit und hohen Durchsatzraten machen Mobilfunknetze zu einer geeigneten Wahl für IoT-Sensoren, ihr hoher Stromverbrauch und ihre Tendenz zur Überlastung selbst bei Netzwerkverkehr in nicht lebensfähigen IoT-Umgebungen machen sie jedoch bei Herstellern von Sensoren mit geringem Stromverbrauch unbeliebt. Aus diesem Grund wird kontinuierlich daran gearbeitet, die bestehende Infrastruktur zu aktualisieren, um LTE-M (LTE-Machine, was bedeutet, Echtzeit-IoT-Datenübertragung zu ermöglichen) und NB-IoT (NarrowBand-IoT) zu unterstützen, insbesondere für Geräte mit geringem Stromverbrauch und geringem Durchsatz . LTE-M und NB-IoT werden zusammen mit 5G wahrscheinlich in vielen zukünftigen IoT-Anwendungen zum Einsatz kommen.
Die Batterietechnologie verbessert sich stetig und der schnelle Aufbau großer Sensornetzwerke ist in vollem Gange. Wir haben beeindruckende Fortschritte bei der Entwicklung von Sensoren gemacht, die Strom sparen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Standards mit einer großen bestehenden Benutzerbasis, wie Bluetooth, WiFi und Mobilfunk, werden wahrscheinlich im Haushalt weit verbreitet sein, während industrielle und andere Anwendungen auf jede Anwendung abzielen. Welche Technologien eignen sich am besten für die Situation, in der sie verwendet werden?
Der Aufbau von Low-Power-Sensornetzwerken wird in den kommenden Jahren oder sogar Jahrzehnten immer beliebter.
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