Kommunikationsstandards und -technologien

Technologien

Technologien, wie die nachgfolgend näher erläuterten RFID, NFC, QR-Codes, ZigBee oder Bluetooth LE, nutzen Netzwerkprotokolle und -topologien, um intelligente Gegenstände im Internet of Things zu vernetzen.

RFID

RFID (Radio-Frequency Identification) ist eine Technologie, bei der eine Information auf einem Transponder gespeichert und über eine Entfernung von wenigen Metern mittels eines entsprechenden Lesegerätes ausgelesen werden kann. Diese Transponder verfügen über einen Mikrochip und eine Koppelungseinheit (Spule oder Antenne). RFID-Systeme werden z.B. an Flughäfen zur Nachverfolgung von Gepäckstücken oder auch in der Logistik zur Nachverfolgung von Containern oder Paletten genutzt.

Vorteil der RFID-Technologie gegenüber klassischen Verfahren wie z.B. der Barcode-Technologie ist, dass für einen RFID-Lesevorgang keine Sichtverbindung zum Transponder bestehen muss, gleichzeitig mehrere Transponder gelesen werden können und dass ein RFID-Transponder unabhängig von äußeren Einflüssen wie z.B. Schmutz, Hitze oder Kälte arbeiten kann.

Je nach Art der Energieversorgung des RFID-Transponders unterscheidet man drei Arten von Transpondern:

• passive Transponder (nutzen Feldenergie des Lesegerätes für internen Mikrochip und das Senden von Daten)
• semi-aktive Transponder (verfügen über eine interne Batterie für den Mikrochip und nutzen Feldenergie des Lesegerätes zum Senden von Daten)
• aktive Transponder (nutzen eine interne Batterie für den Mikrochip und das Senden von Daten)

Ein typisches RFID-System besteht grundsätzlich aus zwei verschiedenen Komponenten: einem RFID-Lesegerät mit Koppelungseinheit und einem oder mehreren Transpondern.

NFC

NFC (Near Field Communication) bezeichnet eine Technologie, die auf induktiver Kopplung basiert und ähnlich wie RFID kontaktlos, jedoch lediglich bis auf Entfernungen im cm-Bereich funktioniert. Im Unterschied zu klassischen RFID-Systemen, in denen immer eine Komponente im aktiven Modus (Lesegerät) und eine oder mehrere Komponenten im passiven Modus (Transponder) arbeiten, wird diese strikte Trennung bei NFC dadurch aufgehoben, dass ein NFC-Gerät (z.B. Smartphone) sowohl die Rolle der aktiven als auch der passiven Komponente übernehmen kann. NFC-Komponenten benötigen sehr wenig Energie, können jedoch nur miteinander kommunizieren, wenn sie sich physisch nah beieinander befinden. Um einen NFC-Kommunikationsvorgang zu initiieren, muss sich ein Gerät im aktiven und ein weiteres Gerät im passiven Modus befinden. Das aktive Gerät erzeugt ein Magnetfeld, durch das Daten übertragen werden können, währenddessen sich das passive Gerät wie ein RFID-Transponder verhält.

Anwendungsszenarien für NFC finden sich beim bargeldlosen Zahlen (Kreditkarte mit NFC-Chip wird vor ein Lesegerät gehalten), drahtlosem Aufladen von Prepaid Handys oder auch bei Fahrscheinen oder Eintrittskarten, die online erworben und via Smartphone als virtuelles Ticket genutzt werden können.

QR-Codes

QR-Codes (Quick Response) sind zweidimensionale Barcodes, die Informationen anhand von schwarzen und weißen Quadraten in einer quadratischen Matrix binär darstellen. QR-Codes werden häufig benutzt, um Flyer, Plakate, Produkte oder Visitenkarten mit einer Internet-URL zu verknüpfen. Mittels entsprechender Smartphone Apps (QR-Code Reader/Scanner) wird der QR-Code über die Kamera des Smartphones gescannt und der Nutzer direkt zur Zielwebseite weitergeleitet.

Neben Internet-URLs beinhalten QR-Codes häufig Telefonnummern, Adressen oder WLAN-Zugangsdaten. Die Nutzung des QR-Codes ist lizenz- und kostenfrei. Durch im Internet frei verfügbare QR-Code-Generatoren können Nutzer sich QR-Codes für verschiedene Anwendungszwecke selbst generieren, als Grafikdatei downloaden und in Webseiten oder auf Papierdokumenten einbinden. Eklatanter Nachteil von QR-Codes und auch ein Sicherheitsrisiko ist die Tatsache, dass der Nutzer nicht sieht, auf welche Webseite er durch den QR-Code geleitet wird.

ZigBee

ZigBee ist eine praktische Implementierung des IEEE-Standards 802.15.4. ZigBee definiert - aufbauend auf den beiden hardwarenahen Schichten Bitübertragungsschicht (Physical Layer) und Sicherungsschicht (Data Link Layer) - zwei weitere Schichten, die Vermittlungsschicht und die Anwendungsschicht.

Somit erweitert ZigBee den Standard 802.15.4 und stellt beispielsweise Funktionalitäten zum Routing und für die Verschlüsselung von Datenpaketen zur Verfügung. Die sogenannte ZigBee-Allianz ist ein Zusammenschluss von weltweit mehr als 200 Unternehmen, die die Entwicklung dieser Spezifikation sowie die Produktion entsprechender Hardware vorantreiben. ZigBee findet Anwendung in der Industrie- und Automatisierungstechnik (z.B. Anlagensteuerung), der Medizintechnik (z.B. Patientendatenübertragung) und auch der Heimautomation und Gebäudesteuerung (z.B. Funksensoren und -aktoren). So können beispielsweise Produkte der Hersteller Osram (Lightify) oder Philips (Hue) über ZigBee zur Steuerung der Beleuchtung im intelligenten Zuhause verwendet werden. ZigBee wurde für sehr geringe Datenvolumen konzipiert. Seine Übertragungsraten sind im Vergleich zu Bluetooth oder WLAN deutlich geringer. Vorteil ist jedoch die sehr geringe Leistungsaufnahme, die es ermöglicht, Sensoren (z.B. Temperaturfühler, Öffnungsmelder) im Batteriebetrieb über Jahre hinweg wartungsfrei zu betreiben.

Bluetooth LE

Als Bluetooth LE (Low Energy) oder auch Bluetooth Smart wird eine sehr stromsparende Implementierung des Bluetooth-Standards bezeichnet, die es ermöglicht, Daten bis zu einer Entfernung von mehreren Metern auszutauschen. Bluetooth LE wurde für die Anwendung bei der Patientendatenüberwachung oder auch für Sensordaten in der Produktionstechnik entwickelt. Bluetooth LE kann selbst nativ nicht über TCP/IP kommunizieren, jedoch mittels 6LoWPAN auch Bluetooth LE-Gerät über eine weltweit eindeutige IPv6-Adresse erreichbar machen. Es bleibt abzuwarten, wie sich der aktuell im Entwurfsstadium befindliche Draft-Standard der IETF (Internet Engineering Taskforce) hierzu weiterentwickelt. Wichtige Merkmale von Bluetooth LE sind eine sehr geringe Leistungsaufnahme sowie eine AES-Verschlüsselung der Datenübertragung.

Nachfolgende Übersicht zeigt die drahtlosen IoT-Technologien ZigBee und Bluetooth LE im Vergleich zu aktuellen WLAN-Standards.