Im sechsten Teil dieser Artikelserie über KNX IoT erläutern Bruno Johnson und Wouter van der Beek, wie man Thread für KNX IoT verwendet.
Die digitale Transformation ist seit einigen Jahren eines der wichtigsten Strategiethemen auf den Tagesordnungen von Unternehmensvorständen. Die Möglichkeit, digitale Dienste aus Cloud-basierten Anwendungen zu entwickeln, erfordert auf dem Internetprotokoll (IPv6) basierende Netzwerkverbindungen zu Edge-Geräten, die die Kundenschnittstelle bilden. Unternehmen aller Formen und Größen in der kommerziellen Gebäudeautomation haben nach drahtlosen IoT-Lösungen gefragt, die dies ermöglichen, und die KNX Association hat darauf mit der Veröffentlichung der KNX IoT Point API (KNX IoT) geantwortet.
Thread-Einführung
Wie bereits in unserem Artikel ‚KNX IoT: Teil 2 – die Vorteile von Thread‚, erläutert wurde, ist Thread ein IPv6-basiertes, vermaschtes Netzwerk. In diesem Artikel werden wir Thread im technischen Detail erklären, einschließlich wie es für KNX IoT Geräte verwendet werden kann.
Das vermaschte Thread-Netzwerk enthält verschiedene Thread-Netzwerkrollen, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Thread border router
Der Thread Border Router (BR) ist die Netzwerkkomponente, die das Thread-Netzwerk mit dem breiteren IT-Netzwerk verbindet. Diese Komponente wird benötigt, wenn die KNX Konfigurationssoftware, ETS, als PC-Anwendung im IT-Netzwerk betrieben wird. Sie wird auch für andere Netzwerkkommunikation benötigt, z.B. mit dem KNX IoT Router (siehe Teil 5 dieser Serie), um KNX IoT mit anderen KNX Geräten zu verbinden.
Der Thread Border Router ist eine Standard-Netzwerkfunktion. Dieses Produkt kann mehrere Funktionen haben und auf Netzwerkgeräten basieren, z. B. kann der Thread eine Erweiterung eines Wi-Fi-Routers sein. Es sind auch andere Ausführungen möglich, z. B. die Integration in die Applikationsdomäne. Beachten Sie, dass Thread die Verwendung mehrerer Border-Router in einem Thread-Netzwerk erlaubt, um Redundanz zu erreichen.
Dadurch können Thread-Netzwerke entweder absichtlich oder unabsichtlich (wenn ein Router aus irgendeinem Grund ausfällt) partitioniert werden, ohne dass der Betrieb unterbrochen wird.
Neben dem Border Router spezifiziert Thread die Gerätetypen, die die verschiedenen Netzwerkrollen übernehmen können. Um die verschiedenen Gerätetypen zu erklären, muss man zuerst die Rollen des Thread-Netzwerks verstehen.
Rolle des Routers
Der Router-Knoten ist die Netzwerkeinheit, die IPv6-Nachrichten zwischen Thread-Knoten, entweder anderen Router-Knoten oder Endgeräten, weiterleitet. Dies ist eine Netzwerkfunktion des Thread-Netzwerks.
Rolle des Endgeräts
Die Endgerätrolle ist ein Blattknoten. Aus der Netzwerkperspektive spricht er nur mit seinem übergeordneten Gerät (einem Router). Diese Endgerätrollen sind das REED (Router Eligible End Device) oder das Endgerät.
Rolle des Leaders
Der Leader ist eine spezifische Rolle eines Router-Knotens. Der erste Router-Knoten im Netzwerk wird zum Leader. Der Leader ist für Netzwerkentscheidungen verantwortlich, z. B. kann er Geräte, die für Router in Frage kommen, zu Routern befördern, um die Konnektivität bei Bedarf zu verbessern. In einem Thread-Netzwerk gibt es nur einen Leader. Wenn der Leader ausfällt, wird ein anderer Router der Leader. Alle Router speichern die Netzwerkdaten, aber nur der Leader kann Änderungen an den Daten vornehmen.
REED (Router Eligible End Device)
Das REED-Gerät kann die Rolle eines Thread-Routers oder eines Thread-Endgeräts haben und wird dynamisch von einem Endgerät zu einem Router aufgerüstet, wenn sich das Thread-Netzwerk erweitert, und umgekehrt von einem Router zu einem Endgerät herabgestuft, wenn sich das Netzwerk verkleinert. Das REED-Gerät ist sehr nützlich, da es dem Thread-Netzwerk ermöglicht, sich selbst zu verwalten.
ED (Endgerät)
Dieses Gerät unterstützt nur die Rolle Endgerät. Das ED-Gerät kann nur eine Verbindung zu einem Gerät mit einer Router-Rolle oder dem Border Router herstellen.
SED (Sleepy-End-Gerät)
Dieses Gerät unterstützt nur die Rolle Endgerät, hat aber die Fähigkeit, in den Schlafmodus zu wechseln. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich das Gerät vom Thread-Netzwerk trennt, wenn es in den Schlafmodus geht (d. h. keine Funkverbindung). Der übergeordnete Router speichert den eingehenden Datenverkehr für ein solches Gerät im Cache, so dass dieses Gerät, wenn es wieder aktiv ist, den eingehenden Datenverkehr empfängt.
Das SED-Gerät kann nur eine Verbindung zu einem Gerät mit einer Router-Rolle oder dem Border Router herstellen und schaltet automatisch auf ein anderes übergeordnetes Gerät um, wenn es die Konnektivität verliert.
Mesh-Extender
Dieses Gerät wurde bisher nicht genannt, ist aber eigentlich ein netzgespeister Router oder ein REED-Gerät. Der Zweck dieses Geräts ist es, die Reichweite des Mesh-Netzwerks zu erweitern, d.h. es kann dort installiert werden, wo eine direkte Netzwerkverbindung zu schwach ist. Bei diesem Gerät kann es sich um ein reines Thread-Gerät handeln, d. h. auf dem Gerät ist keine Applikationsfunktionalität implementiert.
Auswirkungen
Wie lassen sich diese Thread-Rollen nun auf KNX IoT-Geräte anwenden?
KNX IoT-Geräte, die Thread-basiert sind, müssen als REED-, ED- oder SED-Geräte implementiert werden, andernfalls sind sie kein Teil des Thread-Netzwerks. Dies ist scheinbar eine andere Entscheidung als die, welche Funktion das KNX-Gerät haben soll, aber ist es das auch?
Alle KNX IoT-Geräte implementieren eine Reihe von Funktionsblöcken, d.h. den Verwendungszweck des Geräts. Die Auswahl der Hardware für den Zweck des Geräts hängt davon ab, ob das Gerät mit Netzstrom (immer eingeschaltet) oder mit Strom aus Niedrig-Energie-Quellen (z. B. Energiegewinnung oder Batteriebetrieb) versorgt werden soll. In der Regel gilt, dass man ein REED-Gerät bauen sollte, wenn das Gerät mit Netzspannung versorgt wird. Für alle anderen Quellen kann man ein Endgerät und sogar ein Sleepy End Gerät bauen, wenn die Funktion des KNX IoT Geräts mit Hardware realisiert werden kann, die wenig Strom verbraucht oder periodisch abgeschaltet werden kann (d.h. keinen Wirkstrom verbraucht).
Beispiele für KNX IoT ED’s und SED’s
Zum Beispiel, wenn ein Gerät nur periodisch Daten sendet, wie ein Temperatursensor, und wenn die Datenerfassung des Temperatursensors stromsparend ist, kann man eine SED erstellen. Wenn die Datenerfassung des Sensors kontinuierlich ist, kann ein SED weiterhin hergestellt werden (um zusätzlichen Stromverbrauch durch den RF-Sender zu vermeiden), aber es könnte ein ED-Gerät sein.
Für Geräte, bei denen Anfragen eingehen und eine sofortige Antwort erforderlich ist, kann das Gerät ein ED oder ein REED sein.
Für Geräte, die eingehende Anfragen haben, deren Beantwortung aber langsam ist, wie z. B. ein Luftqualitätssensor, können diese als SED ausgeführt werden.
Geräte, die aufgrund ihrer zusätzlichen Hardware eine Netzstromversorgung benötigen, sollten als REED gebaut werden. Beispiele dafür sind Beleuchtungskörper.
Fazit
Mit Thread können KNX IoT-Geräte so entwickelt werden, dass sie dem erforderlichen Energiebudget entsprechen. Die Wahl von REED, ED oder SED sollte entsprechend dem Strombedarf der Peripheriegeräte getroffen werden, die die Funktion des Geräts ausmachen.
Bruno Johnson und Wouter van der Beek sind der CEO bzw. COO von Cascoda Limited. Cascoda ist ein Kommunikationsunternehmen, das sichere IoT-Halbleiter-Funkgeräte und -Module herstellt und die Entwicklung von sicheren IoT-Kommunikationsstandards für intelligente Gebäude und intelligente Städte vorantreibt. Die Produkte des Unternehmens lösen Probleme in Bezug auf Reichweite, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Stromverbrauch und Skalierbarkeit für industrielles und kommerzielles IoT durch patentierte Innovationen und die neuesten, sichersten Standards, die alle in kostengünstige IoT-Module mit extrem geringer Stromaufnahme integriert sind.
