Intelligente Protokoll-Stacks für IoT-fähige Geräte von Stackforce, Mitglied der mioty-Allianz

Robuste LPWAN-Datenübertragungsprotokolle von Stackforce.

Smarte Protocol Stacks für IoT-fähige Geräte von Stackforce

Technologieartikel

8 Min
21. September 2023
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Protocol Stacks

Stackforce ist ein Softwareentwicklungs-Unternehmen, das insbesondere für seine Protocol Stacks bekannt ist. Diese machen beispielsweise aus manuell auslesbaren Messtandszählern ‚smarte‘ IoT-Geräte, die per Funk Daten übertragen. Mit drahtgebundenen und kabellosen Softwareprodukten ist Stackforce unter anderem für Anwendungen im Bereich Smart City, Smart Metering, Industrie 4.0 und Gebäudemanagement aufgestellt.

2020 wurde Stackforce ein Gründungsmitglied der mioty alliance.

Stackforce

Stackforce ist ein Experte im Bereich Standard Protocol Stacks

Auf Basis der Technologie mioty hat Stackforce den mioty Protocol Stack entwickelt, der die Datenübertragung per Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) ermöglicht. 2023 führt das Unternehmen aus Eschbach in Südbaden 16 Mitarbeiter, von denen 10 in der Technologieentwicklung arbeiten.

Die Stackforce GmbH wurde 2014 von Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora aus dem Steinbeis Transfer Zentrum (stzedn) für Design und Networking als Middleware-Anbieter ausgegründet. Das Angebotsspektrum umfasst Systemarchitektur und Softwareentwicklung und damit verbundene Integrationsdienstleistungen im Bereich der Embedded Connectivity Solutions sowie Standard Protocol Stacks auf Basis gängiger LPWAN-Technologien und weiteren Protokollen wie dem bekannten M-Bus-Protokoll.

Das Ziel von Stackforce ist der Ausbau der Standard-Produkte im Bereich der Protocol Stacks, um einen einfachen Zugang zur Vernetzung von IoT-Geräten zu schaffen. Kunden sind vor allem Geräte- und Chiphersteller sowie Integratoren. 2015 ist Stackforce der LoRa Alliance beigetreten und 2020 Gründungsmitglied der mioty alliance.

Interview

1. Herr Rahusen, was hat Stackforce veranlasst, Gründungsmitglied der mioty alliance zu werden?

Aufgrund unserer sehr guten Vernetzung im IoT-Umfeld hatten wir sehr früh Informationen zur mioty Entwicklung. Als Anbieter von Protocol Stacks für die verschiedenen Low Power IoT-Anwendungen, ist es für uns sehr wichtig, auf Höhe der technologischen Entwicklung zu sein.

Wir waren sehr früh von den Vorteilen und den unterschiedlichen Anwendungsfällen von mioty überzeugt und uns war bewusst, dass wir mit der Entwicklung eines mioty Protocol Stacks einen wichtigen Beitrag zum mioty-Ökosystem leisten können und damit ein weiterer Schritt in Richtung Digitalisierung mit LPWAN vollzogen wird. Deswegen sind wir 2020 Gründungsmitglied der mioty alliance geworden.

2. Welches Produkt hat Stackforce zu mioty beigesteuert?

Wir haben für mioty einen Protocol Stack entwickelt, der es erlaubt, mioty-Funkübertragungen herzustellen und auf einer Vielzahl an Hardware-Plattformen eingesetzt werden kann. Der mioty Protocol Stack ist eine effiziente und besonders robuste sowie skalierbare Lösung für moderne IoT Konnektivität, der durch die innovative Technologie des Telegram Splitting neue Maßstäbe im Bereich der drahtlosen Datenübertragung setzt.

Der mioty Protocol Stack basiert auf dem ETSI Funkstandard TS 103 357. Dieser ist unabhängig von einer dedizierten Hardware-Plattform, d.h. er kann auf unterschiedlichste Mikrocontroller und Funkchips portiert werden und bietet somit eine größere Anwendbarkeit und Auswahlmöglichkeit als dies andere LPWAN-Technologien ermöglichen.

3. Warum halten Sie mioty für wichtig?

Mioty ist entwickelt worden, um störungsarme Funkübertragungen über weite Strecken mit vielen Geräten zu ermöglichen. Störungen werden sowohl von anderen mioty-Geräten als auch von fremden Geräten erzeugt, die im selben Frequenzbereich funken und stellen vor allem dann ein Problem dar, wenn Funkteilnehmer skalieren wollen.

Werden in einem LPWAN-Funknetzwerk viele Zähler wie z.B. Wasser-, Wärme-, Gas-, oder Stromzähler bzw. Sensoren zur Füllstandsmessung, zur Luftqualität, zur Messung von CO2 etc. eingesetzt oder zusätzlich hinzugefügt, was das erklärte Ziel des IoT ist, dann steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die vielen Funksignale sich gegenseitig stören.

In einer Smart City Umgebung werden in so einem Szenario unter Umständen Zählerstände nicht aufgezeichnet, volle Mülltonnen nicht geleert oder in einem Industriesetting Maschinenzustandsdaten nicht empfangen.

In einem digitalen System muss die Datenübertragung jedoch unbedingt gewährleistet sein. Dies ist so wichtig, da mit mioty sehr große Funknetzwerke mit vielen Knoten realisiert werden, um eine maximale Skalierbarkeit zu erreichen.

4. Wie reagieren Sie auf die Behauptung, mioty wäre im Zeitalter von 5G im Prinzip überflüssig?

Die Anwedungsfälle im IoT Umfeld sind sehr vielfältig und auch die örtlichen Gegebenheiten varieren sehr stark. 5G hat sicherlich seine Daseinsberechtigung, aber vor allem in Anwendungsfällen, in denen lange Batterielebensdauern und deshalb sehr geringer Stromverbrauch entscheidende Rollen spielen, ist eine LPWAN-Technologie wie mioty die einzige Möglichkeit.

Zum anderen bin ich bei 5G auf die Infrastruktur von einem mobilen Netzanbieter abhängig, mit dem Risiko, meine notwendige Datenübertragungssicherheit nicht gewährleisten zu können. Je nach Situation kann eine Coexistenz von mioty und 5G aber durchaus sinnvoll sein.

5. Kann mioty auch in bestehenden LoRaWAN-Netzen genutzt werden?

Ja natürlich. Mioty ist eine Softwarelösung, die auf relativ vielen Hardware-Plattformen umgesetzt werden kann. Sensoren in bestehenden LoRaWAN-Netzen können problemlos durch das Ändern der Software in ein mioty-Netz integriert werden.

David Rahusen, der technische Geschäftsführer von Stackforce.

David Rahusen ist der Technische Geschäftsführer von Stackforce.

Protocol Stacks

M-Bus Stack und Multi-Stacks

Das M-Bus Protokoll ist ein standardisiertes Protokoll für die Kommunikation von Verbrauchsmessern wie Wasser-, Gas-, Wärme- und Stromzähler. Es folgt der europäischen Norm EN 13757 und wird nicht nur in Europa, sondern in vielen Regionen weltweit verwendet. Stackforce bietet einen drahtgebundenen und einen kabellosen M-Bus Protocol Stack für die Übertragung von Verbrauchsmessdaten an.

Geräte mit M-Bus Stack können mühelos ältere Geräte ohne Kommunikationsschnittstelle ersetzen und die gesamte Anwendung IoT-fähig machen. Multi-Stacks bieten in einem einzigen Softwareprodukt die Möglichkeit, für Anwendungen zwischen verschiedenen Protocol Stacks und Funktechnologien wie Wireless M-Bus, mioty, LoRaWAN oder Sigfox zu wählen.

Robuste LPWAN-Datenübertragungsprotokolle von Stackforce

Schichtprotokoll-Übersicht.

Der mioty Protocol Stack

Um die zu verarbeitende Datenmenge und somit den Energieverbrauch gering halten zu können, ist der mioty Protocol Stack weniger umfangreich als beispielsweise der M-Bus Stack.

Er besteht aus zwei Schichten: der physikalischen Schicht, auf der sich die Daten befinden, und der Transportschicht. Das sich dort befindende Protokoll regelt die Übertragung per Telegram Splitting.

Der mioty Protocol Stack: Telegram Splitting Multiple Access

Die Fehlerrate in der Übertragung beträgt bei TSMA nur 1 Zehntel der üblichen Fehlerrate, nämlich 1 Prozent.

Telegram Splitting Multiple Access

Die grundlegende Idee des Telegram Splitting von mioty ist es, die zu übertragenden Daten nicht in Gänze zu versenden, sondern in mehrere redundante Unterpakete aufzusplitten, die mehrmals über verschiedene Frequenzen im Band gesendet werden. Nur 50 Prozent der Pakete müssen für eine vollständige Übertragung korrekt empfangen werden.

Diese Methode trägt dem Umstand Rechnung, dass Interferenzen – auch durch andere mioty-Geräte (daher ‚multiple access’) – nicht vermieden werden können. Die Unempfindlichkeit auch gegenüber eigenen Signalen ermöglicht eine hohe Skalierbarkeit. Mioty-Netze können hunderttausende unabhängige Geräte enthalten, ohne deren Übertragungen koordinieren zu müssen.

Anbindung der mioty-Technologie

Mioty kann als fertiges Kommunikationsmodul integriert werden. Dazu wird die bestehende Sensor-Hardware einfach und kostengünstig mit einem vorprogrammierten mioty-Funkmodul ausgerüstet.

Alternativ kann ein dezidierter Mikrocontroller nebst Funk Chip in einer System-On-Chip Lösung integriert werden, die speziell für die Kommunikation eingesetzt wird. Der Hardware-Integrationsaufwand ist hierbei etwas größer, während der Software-Integrationsaufwand gleich bleibt.

Die dritte und einfachste Möglichkeit der Anbindung besteht in der Anschaffung von mioty-konformer Hardware, auf der die Sensoranwendung ausgeführt wird. Diese Architektur ist insbesondere für hochvolumige Produkte interessant.

Was ist ein Protocol Stack?

Protokolle regeln die Kommunikation in einem Netzwerk. Um eine bessere Wartbarkeit der verschiedenen Schichten einer IT-Architektur zu ermöglichen, sind für die Anwendungsebene, den Datentransport, den internetbasierten Datenverkehr und Netzwerkzugang spezifische Protokolle definiert. Sie werden zu sogenannten Protocol Stacks gebündelt. Sie regeln, was auf der jeweiligen Ebene mit den empfangenen Daten geschehen soll und wie sie auf die nächste Ebene weitergereicht werden sollen.

Ein Protocol Stack ermöglicht es Geräten wie Zählern oder Zustandsmessgeräten, Daten per Funk zu übermitteln. Er befindet sich für das Auge unsichtbar auf einem Mikrocontroller im Inneren des jeweiligen Geräts.

Vergleich mioty – LoRaWAN

Welches LPWAN-Netz?

Mioty und LoRaWAN sind die derzeit leistungsstärksten LPWAN-Technologien. LoRaWAN gilt als Vorläufer des WLAN und existiert schon seit den 1990er Jahren. Das LoRa-Übertragungsverfahren wurde von Semtech entwickelt und beruht auf der Methode des Frequenzspreizens.

Das LoRaWAN Protokoll verwendet dabei verschiedene Frequenzspreizfaktoren (Spreadingfactors SF), um bei unterschiedlicher Reichweite unterschiedliche Mengen an Nutzdaten zu übermitteln. LoRaWAN findet breite Anwendung im Smart City Bereich.

Mioty ist in vielerlei Hinsicht vergleichbar mit LoRaWAN. Es wurde 2020 vom Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen und Diehl Metering in den Markt eingeführt..

Mit 3,5 Millionen möglichen Nachrichten pro Basisstation pro Tag, einer fast unbegrenzten Anzahl von Netzteilnehmern und einer sehr geringen Fehlerquote in der Datenübertragung weist mioty eine größere Eignung für Massive IoT-Anwendungen auf als LoRaWAN.

Energiearm Daten zu übertragen und wichtige Infrastrukturfunktionen damit zu digitalisieren – das ist eine Aufgabe der Zukunft, der sich Stadtwerke und Energieversorger im Zuge der Energiewende stellen müssen. LoRaWAN ist bekannter als andere LPWAN-Netze, weiter verbreitet und kostengünstiger.

Sollen jedoch sehr große drahtlose Netze mit vielen Knoten realisiert werden, ist mioty die geeignetere Technologie, da hier eine maximale Skalierbarkeit bei zuverlässigerer Sicherheit der Datenübertragung erreicht werden kann. Auch die Umstellung auf mioty ist sehr einfach, da es möglich ist, mit LoRaWAN-fähiger Hardware Daten über mioty zu senden.

LPWAN-Technologien zeichnen sich durch geringen Energieverbrauch und hohe Reichweiten aus - aber worin unterscheiden sie sich?

LPWAN-Technologien zeichnen sich durch geringen Energieverbrauch und hohe Reichweiten aus – aber inwiefern unterscheiden sie sich?

Use Case: Industrie 4.0

„Mit mioty können einzelne Maschinenparameter wie Temperatur, Durchfluss, Druck oder Füllstand verlässlich überwacht werden.“

René Dünkler,

LV Marketing and Communication

bei mioty alliance

Maschinenzustandsüberwachung mit mioty

Für die digitale Produktion in der Industrie 4.0 ist die robuste IoT-Konnektivität eine wichtige Voraussetzung. Hier kommt mioty ins Spiel: es ist dafür ausgelegt, verlässlich Maschinenzustandsdaten über zum Teil große Entfernungen in den komplexen Umgebungen in der Fertigung, im Bergbau sowie in der Öl- und Gasindustrie zu übertragen.

Daten wie Temperatur, Durchfluss, Druck oder Füllstand können komfortabel und kostenschonend aus der Ferne abgerufen und ausgewertet werden. Mit angeschlossenen Analyseinstrumenten können Grenzparameter definiert und automatisch Wartungsaufforderungen ausgelöst werden.

Maschinenzustandsüberwachung mit mioty

Fehlfunktionen von Maschinen und Anlagen durch Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration oder Lärm werden mit mioty-Sensoren erkannt, bevor sie auftreten.

Exzellente Durchdringung

Widerstände durch Gestein oder enge Bebauung stellen für die Datenübertragung mit mioty kein Hindernis dar. Von den zumeist in der Höhe errichteten Basisstationen beispielsweise im fünften Stockwerk kann eine Übertragungsreichweite bis in das dritte Untergeschoss erreicht werden.

Damit ist mioty die ideale Notfall-Kommunikationslösung für Industriesettings und Alleinarbeiter-Szenarien.

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