Die Verwendung von Industriestandards ermöglicht es, Komponenten von verschiedenen Anbietern zu einer funktionierenden Gesamtlösung zu verflechten.

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Fünf wichtige Vorteile So vereinfachen Connectivity-Standards das Design von IoT-Geräten

08.02.2021

Moderne Geräte müssen hohen Anforderungen an Kosteneffizienz, Skalierbarkeit, Stromverbrauch, Größe, Lebensdauer und Sicherheit genügen. Ian Smith, Technologieexperte für den Bereich IoT bei MIPI Alliance erklärt, wie die Verwendung von standardisierten physikalischen und logischen Schnittstellen den Entwicklern von IoT-Geräten helfen kann, diese Herausforderungen zu meistern.

Laut GSMA Intelligence wird sich die Zahl der vernetzten IoT-Geräte in den nächsten fünf Jahren fast verdoppeln und bis zum Jahr 2025 auf über 24 Milliarden Geräte ansteigen. Anwendungsbeispiele finden sich in nahezu allen Branchen und Lebensbereichen, von Unterhaltungselektronik, Gesundheitswesen, Industrie, Versorgungsunternehmen, Smart Buildings, Smart Cities und Smart Home bis zur Automobilbranche.

Ein Schlüsselfaktor für dieses Wachstum ist das Design der IoT-Geräte, die einen wesentlichen Teil jeder IoT-Lösung darstellen. Für viele IoT-Dienste müssen diese Geräte anspruchsvolle technische Anforderungen erfüllen, die durch neue und zukünftige Einsatzoptionen diktiert werden.

1. Kostengünstige, skalierbare Gerätedesigns

Eines der wesentlichen Ziele eines jeden Industriestandards ist es, die Kosten zu senken und das Marktwachstum zu ermöglichen. Dies ist möglich, weil die Verwendung standardisierter Schnittstellen die Interoperabilität fördert und die Marktfragmentierung reduziert.

Im Bereich der Elektronikkomponenten führt dies zu Skaleneffekten, da unnötige Implementierungskosten innerhalb der Anbietergemeinschaft entfallen, die Integrationskosten innerhalb der Entwicklergemeinschaft sinken und hohe Entwicklungskosten über große Mengen von Komponenten amortisiert werden können.

Die Verwendung von Industriestandards ermöglicht es, Komponenten von verschiedenen Anbietern auf der Grundlage von Preis und Leistung zu beziehen, in dem Wissen, dass das Gesamtlösungsdesign basierend auf der Verwendung von interoperablen Schnittstellen und Protokollen funktioniert.

Auf Standards basierende Lösungen beschleunigen auch die Entwicklungszeiten, da Entwickler-Kits und Referenzdesign-Boards in der Regel von mehreren Anbietern zur Verfügung gestellt und durch Software-basierte Entwicklungsressourcen wie Treiber, Open-Source-Beispielcode und Tutorials unterstützt werden. Ein letzter wichtiger kommerzieller Aspekt ist, dass Standards in der Regel einer klar definierten Richtlinie für geistige Eigentumsrechte (IPR policy) folgen.

2. Minimieren des Stromverbrauchs

Ein niedriger Stromverbrauch ist für viele IoT-Geräte von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Geräte, die mit einer Batterie oder einer begrenzten Energiequelle wie Solar- oder Windkraft betrieben werden. Standardisierte Schnittstellen, die für den Einsatz in der Mobilfunkindustrie entwickelt wurden, sind von Anfang an so konzipiert, dass sie eine hohe Energieeffizienz ermöglichen und eine flexible Datenübertragung zwischen Gerätekomponenten bieten.

Eine Schlüsseleigenschaft dieser physikalischen Schnittstellen ist ihr sehr geringer Stromverbrauch sowohl im "aktiven Modus", in dem Daten gesendet und empfangen werden, im "Active-Standby-Modus", wenn die Datenübertragung gering ist, als auch im "Full-Standby-Modus", wenn keine Datenübertragung stattfindet.

Die Bereitstellung von standardisierten Stromsparfunktionen auf Protokollebene ist ein weiterer wichtiger Punkt. Ein gutes Beispiel dafür ist die "Always On Sentinel Conduit (AOSC)"-Funktion der neuen MIPI CSI-2 v4.0-Kameraspezifikation. Sie ermöglicht ein hochgradig energieeffizientes Edge Computing innerhalb von Sensorkomponenten und "weckt" den Hauptanwendungsprozessor eines Geräts nur dann auf, wenn signifikante Ereignisse auftreten.

Industriestandards treiben auch eine Steigerung der Energieeffizienz voran, indem jede Version einer Spezifikation in der Regel versucht, noch energieeffizienter zu sein als die vorherige. Damit wird auch jede Implementierung der Spezifikation effizienter, da die Komponentenhersteller immer effizientere Wege finden, sie zu implementieren.

3. Kompakte Gerätegröße

Kleine, kompakte Gerätedesigns sind entscheidend für viele IoT-Dienste wie Wearables und Geräte, die in ihrer Einsatzumgebung unauffällig sein müssen. Durch die Verwendung von Technologien, die für den Einsatz in mobilen Geräten entwickelt wurden, deren physische Größe entscheidend ist, können Entwickler hochintegrierte IoT-Gerätedesigns produzieren.

Eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, ist, dass die engere Anordnung der Komponenten weniger Platz für die elektromagnetische Abschirmung bedeutet. Die Verwendung von standardisierten Schnittstellen, die elektromagnetische Störungen (EMI) auf ein Minimum reduzieren, Niederspannungsschwingungen auf Hochgeschwindigkeits-Physical-Layern verwenden und eine Slew-Rate-Steuerung bieten, gibt Systementwicklern die Flexibilität, das EMI-Profil der Physical-Layer-Schnittstelle an die Anforderungen des Endgeräts anzupassen.

Ebenfalls empfiehlt sich die Verwendung von standardisierten seriellen High-Performance Schnittstellen, die eine minimale Anzahl von Drahtleitern verwenden. Dies ermöglicht es den Chip-, Geräte- und Modulherstellern die Anzahl der Pins zu begrenzen, was zu weniger Verbindungen auf den Chips und auf den Leiterplatten führt. Diese reduzierte Komplexität senkt die Herstellungskosten, unterstützt ein immer kompakteres Design von Komponenten in immer kleineren Geräten und reduziert das Gewicht, wodurch neue Anwendungsfälle im IoT-Bereich möglich werden.

4. Lange Lebenszyklen

Viele IoT-Geräte haben Lebenszyklen, die sich auf bis zu 20 Jahre erstrecken können, wie beispielsweise im Fall von Geräten, die Teil einer Smart-City-Infrastruktur sind. Die Verwaltung und Wartung von Geräten über lange Zeiträume kann eine Herausforderung darstellen.

Auch hier kann die Verwendung standardisierter Schnittstellen von Vorteil sein, da diese in der Regel sowohl rückwärts- als auch vorwärtskompatibel sind, was zu zusammenhängenden "langlebigen" Spezifikationen führt, die über viele Jahre hinweg auf dem Markt unterstützt werden.

Durch den Einsatz standardisierter Schnittstellen kann sichergestellt werden, dass Upgrade-Pfade verfügbar sind, falls ein Legacy-Gerät repariert, aufgerüstet oder ersetzt werden muss (zum Beispiel, wenn eine Unterkomponente nach vielen Jahren eines Supportvertrags ersetzt oder aufgerüstet werden muss).

Die Hersteller bieten in der Regel einen langfristigen Entwicklersupport für Standardschnittstellen an. Damit entfällt die Notwendigkeit für Entwickler, sich für jede neue Gerätegeneration oder für die Unterstützung von Legacy-Geräten komplett neue Kenntnisse anzueignen. Der langfristige Support von Entwickler-Tools für diese Schnittstellen maximiert zudem auch die Investition in Test-Suiten.

Ein gutes Beispiel für einen zusammenhängenden Industriestandard ist die MIPI I3C-Busschnittstelle. Sie bietet Verbesserungen gegenüber ihrem Vorgänger, der seit über 30 Jahren auf dem Markt befindlichen I2C-Schnittstelle, wahrt aber dennoch Abwärtskompatibilität für eine einfache Integration.

5. Gerätesicherheit

Sicherheit ist für viele IoT-Dienste von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsstandards wie ETSI EN 303 645 und NIST IR8259 empfehlen Entwicklern, mehrschichtige Sicherheit in IoT-Geräten zu implementieren, um allgemeine Sicherheitsrisiken zu adressieren. Die Verwendung von Industriespezifikationen, bei denen Sicherheitskriterien bereits berücksichtigt wurden, sollte, wo immer möglich, für alle internen Geräteschnittstellen in Betracht gezogen werden.

Bereits heute werden flexible, standardisierte Sicherheits-Frameworks entwickelt, welche die Authentifizierung, die Vertraulichkeit und den Schutz der Integrität von Nachrichten ermöglichen, die zwischen Anwendungsprozessoren und angeschlossener Peripherie gesendet werden. Diese Frameworks bieten einen Weg für IoT-Entwickler, mehrschichtige Sicherheit in zukünftige IoT-Geräte zu implementieren und helfen ihnen bei der Einhaltung strengster Sicherheitsanforderungen.

Fazit

Das Wachstum des IoT bietet enorme Chancen für Organisationen sowohl im Consumer- als auch im Enterprise-IoT-Bereich, um Wertschöpfung aus der engeren Verknüpfung der physischen, sozialen und digitalen Welt zu generieren. Ein Schlüsselfaktor für den Markterfolg wird das erfolgreiche Design und die Entwicklung von IoT-Geräten sein, von denen neue Dienste abhängen. Diejenigen, die die effektivsten Gerätedesigns entwickeln und dabei Industriestandards nutzen, welche die in diesem Artikel skizzierten Herausforderungen meistern, werden die besten Chancen auf Markterfolg haben.

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