Herr Oeder, was genau verbirgt sich hinter dem IoT-Bus?
Oeder: Viele IoT-Anwendungen werden zukünftig Datenraten benötigen, die im Zwischenbereich von niedrigen Datenraten bis 20 kbit/s bei ein­fachen Feldbussen für die Gebäudeautomatisierung und hohen Datenraten von über 100 Mbit/s liegen. Bei einer zu geringen Datenrate sind die IP-Fähigkeit und eine Verschlüsselung nicht umsetzbar. Zu hohe Bandbreiten treiben andererseits die Kosten und den Energieverbrauch der Kommunikation unnötig in die Höhe. Durch die Kombination aus einer Reichweite von etwa 500 Metern bei einer Datenrate von 1 Mbit/s schließt der IoT-Bus genau diese Lücke. Dabei handelt es sich um den ersten 2-Draht-Feldbus mit nativer IPv6-Unterstützung. In der 4-Draht-Ausführung werden die Kommunikationsknoten darüber hinaus über den Bus zusätzlich mit Spannung versorgt.

Entwickelt wird der IoT-Bus im Rahmen eines Forschungsprojekts für das Energiemanagement in industri­ellen Gebäuden. Im Fokus steht bei dieser Anwendung eine Kommunika­tionslösung zur Vernetzung der lokalen Betriebsmittel für Eigenstromerzeugung, Speicherung und Verbrauch – konkret: die Kommunikation zwischen Steuerungszentrale, Photovol­taikanlagen, Batteriespeichern und Verbrauchern.

Wie sieht die technische Realisierung des IoT-Busses konkret aus?
Oeder: Wie bereits erwähnt, ist der IoT-Bus des Fraunhofer IIS der erste Feldbus mit einer direkten IPv6-Unterstützung und integriertem Sicherheitskonzept. Das heißt: Die Endknoten – also jeder Sensor oder Aktor – spricht das Internet-Protokoll IPv6 sowie UDP und TCP. Damit werden standardisierte Schnittstellen für die eigentlichen Anwendungen zur Verfügung gestellt, wodurch Protokolle wie MQTT, OPC-UA aber auch CoAP oder REST zum Einsatz kommen können. Somit ist jeder IoT-Busknoten grundsätzlich internetfähig und kann direkt mit der Cloud kommunizieren, wenn dies gewünscht wird. Ein IP-fähiger Endknoten bietet eindeutige Vorteile bei einem direkten Zugriff auf die Endknoten über das Internet oder bei der direkten Anbindung an die Cloud. So ist keine Protokollumsetzung notwendig und die Verschlüsselung auf dem Transport-Layer kann durchgängig erfolgen. Durch die Integration des IPv6-Protokolls im IoT-Bus erhält jeder Endknoten seine eigene IP-Adresse und kann somit Daten senden und empfangen. Statusmeldungen und Warnungen von Maschinen an mobile Endgeräte können so beispielsweise gesendet werden und zuständige Personen können auf diese Meldungen schnell reagieren sowie entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen.

Für die physikalische Übertragungsschicht nutzen wir RS-485 unter Einsatz von Standard-RS-485-Transceivern. Hierauf aufbauend setzen wir die Funkstandards IEEE 802.15.4 und 6LoWPAN ein. Damit sind die Vorteile der 6LoWPAN-Header-Komprimierung nun auch bei einer drahtgebundenen Kommunikation nutzbar. Für den Medienzugriff kommt ein Token-basiertes Zugriffsverfahren zum Einsatz, wodurch der IoT-Bus echtzeitfähig wird. Um dies zu ermöglichen wurde das Protokoll IEEE 802.15.4 für die drahtgebundene Kommunikation angepasst.

Die Konformität zu IEEE 802.15.4 ermöglicht zusätzlich ein schnelles Paket-Routing zwischen dem verdrahteten IoT-Bus und kabellosen Netzwerken ohne umfangreiche Protokollumsetzung. Stellen Sie sich beispielsweise folgendes Szenario vor: Man möchte einen zusätzlichen Sensor einbinden, aber die Verlegung eines Kabels ist schwierig oder gar unmöglich, weil das zu überwachende Objekt sich schnell bewegt oder sich an einem Ort befindet, der eine Verkabelung nicht zulässt. Hier kann der IoT-Bus zukünftig Funkknoten, die IEEE 802.15.4 sprechen, sehr einfach anbinden.

So gliedert sich der IoT-Bus in das Portfolio IP-fähiger Technologien ein.

© Fraunhofer IIS

Im Kontext von Industrie 4.0 und dem IoT werden im Fabrikumfeld derzeit neben den etablierten Industrial-Ethernet-Lösungen bereits eine Reihe neuer Kommunikationslösungen diskutiert – darunter auch Ethernet TSN + OPC UA + MQTT. Warum braucht es hier nochmal eine neue Lösung wie den IoT-Bus?
Oeder: Durch Entwicklungen wie Ethercat, Powerlink und jetzt TSN hat bei den klassischen Feldbussen bereits ein Wandel stattgefunden. Ethernet-basierte Technologien sind aber auch nicht für alle Anwendungsbereiche immer die richtige Lösung. Für die klassische Maschinensteuerung mit ihren hohen Anforderungen an sehr kurze Reaktionszeiten – sprich Mikrosekunden oder wenige Millisekunden – sehen wir TSN oder andere Ethernet-basierte Lösungen zwar als Alternative zu klassischen Feldbussen; dafür ‚erben‘ diese Lösungen aber auch sämtliche Eigenschaften, die Ethernet hinsichtlich Topologie, Reichweite für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aber auch in puncto der Kosten mitbringt. Demgegenüber bietet der IoT-Bus eine Lösung für Anwendungen, bei denen eher moderate Datenraten und Reaktionszeiten ausreichen, dafür aber eine zuverlässige, kostengünstige und IP-fähige Lösung im Vordergrund steht.

Anders als beispielsweise TSN ermöglicht der IoT-Bus die Kommunikation über eine 2-Draht Twisted-Pair-Leitung basierend auf RS-485 und kommt damit den klassischen Feldbussen näher. Dennoch können Protokolle wie OPC-UA, MQTT aber auch CoAP übertragen werden und dies ohne den hohen Energieverbrauch und die Kosten einer Ethernet-basierten Lösung.

Die Idee für den IoT-Bus ist ja im Umfeld der Gebäudeautomation entstanden. Welche konkrete Rolle kann er künftig auch in der Fabrikautomation spielen?
Oeder: Lassen Sie mich eines vorwegnehmen: Dort, wo es um extrem niedrige Latenz geht und die Daten direkt in der Maschinensteuerung dezentral verarbeitet werden, sehen wir weiterhin die Domäne der klassischen Feldbusse. Anders sieht es aus, wenn es um das Monitoring von Produktionsanlagen, Predictive Maintenence – also die vorausschauende Wartung – oder gar um die Umsetzung von Geschäftsmodellen wie ‚machine as a service‘ geht: Hier wird die Anbindung von Produktionsanlagen an das Internet zukünftig eine wichtige Rolle spielen. Genau in diesen Bereichen kann der IoT-Bus sein volles Potenzial ausspielen: IP-Fähigkeit bis in den Endknoten, standardisierte Anwendungsprotokolle und eine Verschlüsselung, basierend auf TLS. Er kann mit Hilfe seines Datencontainer-Konzeptes zum Beispiel als Range-Extender für Feldbusse eingesetzt werden und dabei etwa CAN-Nachrichten über eine größere Distanz transportieren.

Ein Bussystem wird sich nur dann durchsetzen, wenn es eine entsprechende Unterstützung seitens der Hersteller und letztlich auch der Anwender erfährt. Wie sieht es diesbezüglich aus?
Oeder: Wir führen derzeit mit namhaften Herstellern intensive Gespräche. Erste Interessenten wollen die Technologie bereits evaluieren. Anfragen von Anwendern kommen derzeit vor allem aus den Bereichen der Gebäudeautomatisierung, Beleuchtungssteuerung und Anbindung verschiedener Sensoren in Produktionsanlagen.

Bis wann soll die Lösung marktreif sein?
Oeder: Der IoT-Bus wird im Rahmen des Forschungsprojektes SEEDs entwickelt und durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie gefördert. Das Projekt endet Mitte 2018. In der Demonstrations- und Forschungsplattform am Fraunhofer IISB ist der IoT-Bus bereits in einem realen Feldversuch im Einsatz und wird stetig weiterentwickelt. In naher Zukunft kann die Lösung über das Fraunhofer IIS zudem auch lizenziert werden. Nicht zuletzt können wir anwenderspezifische Anforderungen im Rahmen eines Entwicklungsauftrags direkt umsetzen. Hierzu sind wir jetzt schon auf der Suche nach Partnern, um den IoT-Bus für den jeweiligen Anwendungsbereich noch interessanter zu machen.