Kommunikationsprotokolle in Eingebetteten Systemen

Eingebettete Systeme sind die verborgenen Arbeitspferde moderner Produkte – von Smartwatches und medizinischen Geräten bis hin zu Autos und Industriemaschinen. Im Zentrum jeder Embedded-Lösung steht die Art und Weise, wie ihre elektronischen Komponenten miteinander kommunizieren. Diese Kommunikationsprotokolle für eingebettete Systeme sind im Wesentlichen die „Sprachen“, die Geräte zur Informationsübertragung verwenden. Einfach ausgedrückt ist ein Kommunikationsprotokoll eine Sammlung von Regeln, die definieren, wie serielle Daten zwischen Geräten übertragen und interpretiert werden, um sicherzustellen, dass Informationen genau und zuverlässig übertragen werden. Ob es sich um einen Sensor handelt, der Daten an einen Mikrocontroller überträgt, oder um mehrere Controller in einem Fahrzeug, die in Echtzeit koordiniert werden –
Kommunikationsprotokolle in eingebetteten Systemen sorgen dafür, dass die richtigen Daten an den richtigen Ort gelangen.

Das Verstehen und die Auswahl des richtigen Kommunikationsprotokolls sind ein entscheidender Bestandteil der Embedded-Entwicklung, bei der Ingenieure sicherstellen müssen, dass die Komponenten unter den Anforderungen von Leistung, Energieverbrauch und Kosten zuverlässig kommunizieren.

Dieser Artikel wird diese Protokolle für ein nicht-technisches Publikum entmystifizieren, indem erklärt wird, was sie sind, welche Arten von Protokollen am häufigsten verwendet werden, wie man sie auswählt und warum sie für Ihr Unternehmen wichtig sind.

 

Was sind Kommunikationsprotokolle in eingebetteten Systemen?

Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei verschiedene Geräte – zum Beispiel einen Temperatursensor und einen Controller – und diese müssen Daten austauschen. Ohne ein standardisiertes Protokoll (eine gemeinsame Sprache) wäre ihre Kommunikation chaotisch oder unmöglich. Ein Kommunikationsprotokoll legt die Grundregeln fest: wie schnell Daten gesendet werden, wie der Anfang oder das Ende einer Nachricht markiert wird und wie überprüft wird, ob Fehler bei der Übertragung aufgetreten sind. In eingebetteten Systemen etablieren Protokolle eine gemeinsame Sprache, die Geräte befolgen müssen, um effektiv zu kommunizieren. Sie definieren Dinge wie das Datenformat, die serielle Uhr (wann Datenbits gesendet werden) und sogar Fehlerprüfmethoden, um sicherzustellen, dass die Daten unterwegs nicht beschädigt werden.

Warum ist das wichtig? Weil eingebettete Geräte häufig in Umgebungen betrieben werden, in denen eine zuverlässige Datenübertragung entscheidend ist – zum Beispiel kann sich ein medizinischer Monitor oder ein Airbagsystem in einem Auto keine Fehlkommunikation leisten. Protokolle enthalten eingebaute Funktionen zur Fehlererkennung (und manchmal -korrektur), um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Viele Protokolle verwenden beispielsweise Techniken wie Prüfsummen oder CRC-Codes (Cyclic Redundancy Check), mit denen Geräte überprüfen können, ob die empfangenen Daten mit den gesendeten übereinstimmen. Wird ein Fehler erkannt, kann das System eine erneute Übertragung anfordern oder andere Korrekturmaßnahmen ergreifen. Kurz gesagt, Kommunikationsprotokolle spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung eines effizienten Datenaustauschs und ermöglichen eine nahtlose und sichere Kommunikation zwischen mehreren Geräten.

 

Gängige Arten von Kommunikationsprotokollen in eingebetteten Systemen

Es gibt viele Kommunikationsprotokolle, die jeweils für unterschiedliche Situationen geeignet sind. Einige wenige treten jedoch häufig in Embedded-Projekten auf. Wir können sie grob in zwei Kategorien einteilen:verkabelte Protokolle (unter Verwendung physischer Verbindungen wie Kabel oder Leiterbahnen) und drahtlose Protokolle (unter Verwendung von Funkwellen). Im Folgenden stellen wir einige der beliebtesten Protokolle in jeder Kategorie vor, zusammen mit typischen Anwendungsfällen, damit Sie ein Gefühl dafür bekommen, wo sie eingesetzt werden.

 

Verkabelte Kommunikationsprotokolle (auf der Platine und zwischen Geräten)

Protokoll	Anzahl der Leitungen	Geschwindigkeit	Duplex	Topologie	Typische Anwendungsfälle
UART	2 (TX, RX)	Niedrig	Halbduplex	Punkt-zu-Punkt	Debugging, GPS, Bluetooth-Module
SPI	4+ (MOSI, MISO, SCLK, SS)	Hoch	Vollduplex	Master–Slave	Sensoren, SD-Karten, Displays
I²C	2 (SDA, SCL)	Mittel	Halbduplex	Multi-Master/Slave	RTC, OLEDs, EEPROM
CAN-Bus	2 (differenzielles Paar)	Mittel	Multi-Master	Bus	Automobil, laute Umgebungen, Steuergeräte
USB	4	Sehr hoch	Vollduplex	Host–Gerät	PC-Schnittstellen, externe Peripheriegeräte
Ethernet	4–8	Sehr hoch	Vollduplex	Netzwerk (Stern)	LAN, industrielle Systeme, Hochgeschwindigkeitskommunikation

 

UART – Universeller Asynchroner Empfangs-/Sendemodul

UART ist eines der einfachsten asynchronen seriellen Kommunikationsprotokolle. Es existiert seit Jahrzehnten und ist nach wie vor ein Grundbaustein für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. UART verwendet zwei Leitungen (Kabel) – eine zum Senden von Daten und eine zum Empfangen – verfügt jedoch über kein gemeinsames Taktsignal (es ist asynchron). Stattdessen fügt es jedem Datenpaket spezielle Start-/Stoppbits hinzu, damit sich die Empfangsseite mit dem Zeitrahmen des Senders synchronisieren kann. Die UART-Kommunikation ist typischerweise eine Halbduplex-Kommunikation (Daten können auf dem Leitungspaar nur in eine Richtung gleichzeitig übertragen werden). Trotz seines Alters wird UART aufgrund seiner Einfachheit und Zuverlässigkeit über kurze Entfernungen hinweg weiterhin häufig verwendet.

 

Quelle

 

SPI – Serial Peripheral Interface

SPI ist ein weit verbreitetes Vollduplex-Kommunikationsprotokoll für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen einem Master-Gerät (oft ein Mikrocontroller) und einem oder mehreren Slave-Komponenten (wie Sensoren, Displays oder Speicherchips) auf derselben Platine. SPI verwendet vier Verbindungsleitungen: zwei Datenleitungen (MOSI – Master Out Slave In, und MISO – Master In Slave Out), eine serielle Taktleitung (SCLK), die vom Master gesteuert wird, und eine Slave-Select-Leitung (SS), um das Slave-Gerät auszuwählen, mit dem der Master gerade kommuniziert. Da es einen dedizierten Takt und separate Leitungen für das Senden und Empfangen gibt, unterstützt SPI Vollduplex-Kommunikation (Daten können in beide Richtungen gleichzeitig fließen) und ermöglicht sehr hohe Übertragungsraten. SPI wird bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Datenrate entscheidend ist – z. B. beim schnellen Auslesen eines hochauflösenden Sensors oder beim Streamen von Daten auf ein LCD-Display.

 

I²C – Inter-Integrated Circuit

I²C (ausgesprochen „I-zwei-C“ oder „I-Quadrat-C“) ist ein internes Systemprotokoll. Wie SPI ist es synchron (es gibt ein Taktsignal), aber es verwendet insgesamt nur zwei Leitungen: eine Datenleitung (SDA) und eine Taktleitung (SCL), die von allen Geräten auf dem Bus gemeinsam genutzt werden. I²C ist ein weit verbreitetes Protokoll, das entwickelt wurde, um mehreren „Master“- und „Slave“-Geräten über eine gemeinsame Zweidrahtverbindung die Kommunikation mittels Adressierung zu ermöglichen. Es handelt sich um ein Halbduplex-Protokoll (Kommunikation jeweils nur in eine Richtung), das aber viele Geräte mit minimalem Verkabelungsaufwand unterstützt.

 

CAN-Bus – Controller Area Network

Wenn es darum geht, mehrere Mikrocontroller oder Geräte in einer lauten Umgebung zu vernetzen, in der zuverlässige Kommunikation unerlässlich ist, ist das Controller Area Network (CAN) unschlagbar. Der CAN-Bus wurde ursprünglich für Fahrzeugsysteme entwickelt – man denke nur an all die elektronischen Steuergeräte (ECUs) in einem modernen Auto (Motor, Getriebe, ABS, Airbags usw.), die in Echtzeit kommunizieren müssen. Ein CAN-Bus ist ein serielles Multi-Master-Netzwerk, das typischerweise zwei Leitungen (ein verdrilltes Paar) verwendet, um alle Knoten zu verbinden. Im Gegensatz zu UART, SPI oder I²C (die oft auf ein einzelnes Gerät oder wenige Geräte auf einer Platine beschränkt sind), kann ein CAN-Bus Dutzende von Controllern in einem Fahrzeug oder einem industriellen System miteinander verbinden.

Was macht CAN so besonders? Es wurde für Robustheit und Zuverlässigkeit konzipiert – selbst in elektrisch störanfälligen Umgebungen wie einer Autofabrik oder dem Motorraum eines Fahrzeugs. CAN verwendet differentielle Signalübertragung (die beiden Leitungen tragen entgegengesetzte Signale), um elektromagnetische Störungen herauszufiltern, und das Protokoll verfügt über eingebaute Fehlererkennung und Fehlerisolierung. Tatsächlich ist CAN für seine Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen und seine Fähigkeit zur Fehlerbehandlung bekannt – es erkennt Kommunikationsfehler automatisch und wiederholt Übertragungen bei Bedarf. Fehlverhaltende Knoten können sich sogar selbst vom Bus trennen. CAN-Nachrichten enthalten Prüfcodes und ein Prioritätensystem, sodass kritische Nachrichten bevorzugt gesendet werden.

 

USB und Ethernet (hochwertige kabelgebundene Protokolle)

Dies sind Beispiele für intersystemische Protokolle, die häufig eingebettete Geräte mit anderen Geräten wie Computern oder Netzwerken verbinden. Technisch gesehen sind sie ebenfalls Kommunikationsprotokolle – sie arbeiten nur mit höheren Datenraten und oft komplexeren Protokollschichten. Das USB-Protokoll (Universal Serial Bus) ist gebräuchlich, um externe Peripheriegeräte mit einem eingebetteten Gerät zu verbinden, während Ethernet die Netzwerk- oder Internetkommunikation für Embedded-Produkte ermöglicht. Beide Protokolle unterstützen eine robuste Fehlererkennung und eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, erfordern jedoch in der Regel fortschrittlichere Hardware- und Softwareunterstützung.

 

Drahtlose Kommunikationsprotokolle (IoT und darüber hinaus)

Nicht alle eingebetteten Geräte kommunizieren über Kabel; viele moderne Systeme nutzen drahtlose Verbindungen, besonders im Zeitalter des Internet of Things (IoT). Die Wahl des richtigen drahtlosen Protokolls ist entscheidend, um Reichweite, Stromverbrauch und Datenbedarf auszubalancieren. Hier sind einige der wichtigsten drahtlosen Kommunikationsstandards, denen Sie begegnen könnten.

Protokoll	Reichweite	Stromverbrauch	Geschwindigkeit	Topologie	Typische Anwendungsfälle
BLE	~10–30 m	Sehr gering	Niedrig	Stern / Mesh	Wearables, Sensoren, Handyverbundene Geräte
Wi-Fi	>~30–50 m (innen)	Hoch	Hoch	Infrastruktur	Smart-Kameras, cloudverbundene Geräte
Zigbee	~10–20 m / Hop	Niedrig	Niedrig	Mesh	Smart Home (Lichter, Sensoren, Schlösser)
Thread/Matter	10–100 m (Mesh)	Niedrig	Niedrig	Mesh	Nächste Generation Smart Home, interoperable Geräte
LoRaWAN	~2–10 km	Extrem gering	Sehr niedrig	Stern (über Gateway)	Entfernte Sensoren, Landwirtschaft, Messgeräte
Zellular	National / global	Mittel–Hoch	Mittel–Hoch	Infrastruktur	Asset-Tracking, Telemetrie, Fahrzeuge

 

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy ist ein drahtloses Protokoll, das für Kurzstrecken- und Niedrigstrom-Kommunikation ausgelegt ist. Es ist eine Variante von Bluetooth, die für stromsparende Geräte optimiert ist, die mit kleinen Batterien (wie Knopfzellen) über lange Zeiträume betrieben werden sollen. BLE wird häufig in Wearables, medizinischen Sensoren und Smart-Home-Geräten eingesetzt. Ein großer Vorteil von BLE ist seine Verbreitung auf fast allen Smartphones und Tablets, was es ideal für die Verbindung intelligenter Geräte mit dem Telefon macht.

 

Qt Bluetooth Test

Es ist bekannt für:

 

• Hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischem Rauschen
• Sehr niedriger Energieverbrauch
• Betrieb im 2,4-GHz-ISM-Band
• Typische Reichweite: 10–30 Meter
• Niedrige bis moderate Datenraten

BLE unterstützt einfache Stern-Topologien (zentrales Hub mit Peripheriegeräten) und sogar Mesh-Netzwerke in neueren Versionen.

 

Wi-Fi

Wi-Fi ist das Standard-Funkprotokoll, das von Laptops und Heimgeräten verwendet wird, um sich mit dem Internet zu verbinden. Viele eingebettete Systeme nutzen ebenfalls Wi-Fi, insbesondere wenn sie Daten an die Cloud oder lokale Server senden müssen. Auch wenn es nicht immer die optimale Wahl für maximale Systemleistung ist, bleibt es entscheidend für Produkte, die robuste Internetverbindungen und hohe Bandbreiten benötigen.

Wichtige Merkmale:

 

• Hoher Datendurchsatz
• Typischer Betrieb im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band
• Reichweite: Dutzende Meter, auch durch Wände
• Stromverbrauch: hoch (nicht ideal für batteriebetriebene Geräte)

Trotz seines Energieverbrauchs wird Wi-Fi bevorzugt, wenn Breitbandverbindung erforderlich ist oder wenn vorhandene Infrastruktur (Router) genutzt werden kann.

Zigbee und Z-Wave

Zigbee und Z-Wave sind drahtlose Protokolle, die für Smart-Home- und Gebäudeautomatisierung entwickelt wurden. Beide eignen sich für Kurzmitteilungs-Kommunikation in verteilten Busnetzwerken, die in Smart-Home-Netzwerken und Geräten wie Sensoren und Aktoren üblich sind.

Zentrale Unterschiede:

 

• Zigbee: arbeitet im 2,4-GHz-Band
• Z-Wave: verwendet Sub-GHz-Frequenzen (z. B. 868/915 MHz)
• Beide unterstützen Mesh-Netzwerke, was Abdeckung und Zuverlässigkeit erhöht
• Datenraten: niedriger als bei BLE oder Wi-Fi
• Reichweite: Dutzende Meter (erweiterbar durch Mesh)

Sie verwenden lizenzfreie Funkbänder und beinhalten integrierte Verschlüsselung.

Thread und Matter

Thread ist ein stromsparendes, IPv6-basiertes drahtloses Mesh-Netzwerkprotokoll, das speziell für Smart-Home- und IoT-Umgebungen entwickelt wurde. Es arbeitet im 2,4-GHz-ISM-Band und wurde geschaffen, um die Einschränkungen früherer Technologien wie Zigbee zu überwinden. Was Thread besonders macht, ist sein Fokus auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit für Gerät-zu-Gerät-Kommunikation ohne zentralen Hub.

Matter ist ein neueres, quelloffenes Anwendungsprotokoll, das von der Connectivity Standards Alliance (ehemals Zigbee Alliance) entwickelt wurde. Es zielt darauf ab, Smart-Home-Geräte herstellerübergreifend zu vereinheitlichen. Matter läuft über bestehende IP-basierte Netzwerke wie Ethernet, Wi-Fi und Thread – damit wird Thread zur Schlüssel-Transportschicht für Matter in stromsparenden IoT-Anwendungen.

Wichtige Eigenschaften:

 

• Thread: stromsparend, Mesh-Netzwerk, von Haus aus sicher
• Matter: vereinheitlichtes Geräte-Ökosystem, erleichtert Interoperabilität über Plattformen hinweg (z. B. Apple, Google, Amazon)
• Beide Protokolle setzen auf Zukunftssicherheit durch Standardisierung und robuste Sicherheit
• Ideal für Smart Lighting, Thermostate, Türschlösser und Sensoren

Zusammen legen Thread und Matter den Grundstein für die nächste Generation interoperabler Smart-Home-Systeme.

 

LoRaWAN und SigFox (LPWAN)

Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWANs) wie LoRaWAN und SigFox werden eingesetzt, wenn Geräte eine große Reichweite bei extrem geringem Stromverbrauch benötigen, jedoch sehr niedrige Datenraten tolerieren können.

 

Merkmale:

 

• LoRaWAN arbeitet in Sub-GHz-ISM-Bändern
• Reichweite: mehrere Kilometer (je nach Bedingungen)
• Extrem niedrige Datenraten und seltene Kommunikation
• Ideal für batteriebetriebene Geräte mit Betriebsdauer über Jahre
• SigFox ist ein proprietäres Netzwerk mit ähnlichen Zielen, aber anderer Infrastruktur

Diese Protokolle setzen auf Robustheit und Reichweite anstelle von Geschwindigkeit.

 

Mobilfunk (3G/4G/5G/NB-IoT)

Mobilfunkprotokolle ermöglichen die großflächige Konnektivität eingebetteter Systeme, insbesondere in mobilen oder abgelegenen Anwendungen. Sie erlauben es eingebetteten Produkten, in mobilen Kontexten zu funktionieren – etwa medizinische Geräte, die Patientendaten von entfernten Orten übertragen, z. B. aus einem Krankenwagen oder von zuhause. Klassische Mobilfunkstandards (3G/4G/5G) unterstützen Hochgeschwindigkeitskommunikation, jedoch zu höheren Kosten und mit höherem Energieverbrauch. Neuere Standards wie NB-IoT und LTE-M adressieren diese Herausforderungen gezielt für IoT-Einsatzszenarien.

Merkmale:

 

• Abdeckung: landesweit (über Telekommunikationsanbieter)
• Datenrate: von sehr niedrig (NB-IoT) bis sehr hoch (5G)
• Stromverbrauch: mittel bis hoch (je nach Technologie)
• Oft SIM-Karte und Datenplan erforderlich

Zusammengefasst: Drahtlose Protokolle sind zahlreich in eingebetteten Systemen. Die Auswahl hängt oft vom Spannungsverhältnis zwischen Reichweite, Energieverbrauch und Datenanforderungen ab. Ein Smart-Home-Gerät könnte Zigbee oder BLE verwenden, da es keine große Reichweite braucht und Strom sparen muss, während ein industrieller IoT-Sensor an einer Ölpipeline LoRaWAN verwenden könnte, um Kilometer zu überbrücken. Ein tragbarer medizinischer Sensor könnte BLE nutzen, um Daten an ein Handy zu senden (kurze Distanz, wenig Strom), wohingegen ein vernetztes Auto Mobilfunk verwendet, um Telemetrie in die Cloud zu schicken (große Reichweite, hohe Bandbreite). Oft werden mehrere Protokolle in einem Produkt kombiniert – z. B. ein modernes Auto mit Bluetooth für die Verbindung zum Handy, Wi-Fi für Softwareupdates und CAN-Bus für interne Fahrzeugsysteme.

 

Auswahl des richtigen Protokolls: Wichtige Überlegungen

Aus geschäftlicher Sicht ist die Auswahl des geeigneten Kommunikationsprotokolls für Ihr Embedded-Projekt eine kritische Entscheidung. Es handelt sich nicht nur um ein technisches Detail – sie kann die Leistung, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz, Interoperabilität und die Entwicklungskosten Ihres Produkts beeinflussen. Hier sind einige zentrale Aspekte und typische Fragestellungen:

Schlüsselfrage	Was ist zu beachten	Empfohlene Protokolle / Hinweise
Wie viele Daten? Wie schnell?	Kleine Sensordaten vs. große Dateien / Video	UART, I²C, BLE (wenig Daten) · USB, Ethernet, Wi-Fi (hohe Bandbreite)
Wie weit ist die Übertragung?	Auf der Platine vs. quer durch Räume / im Freien	SPI/I²C/UART (kurze Strecke) · CAN, Ethernet (mittlere Entfernung) · Zigbee, LoRaWAN, Mobilfunk (lange Entfernung)
Wie viele Geräte kommunizieren?	One-to-One, One-to-Many oder Many-to-Many	UART/USB (Punkt-zu-Punkt) · CAN/I²C/Zigbee/Thread (Bus/Mesh) · Ethernet (Netzwerk)
Ist die Umgebung laut oder industriell?	EMI, Motoren, HF-Störungen	CAN, RS-485, USB (differenziell + Fehlerprüfung) · UART/SPI in solchen Bereichen nur mit Abschirmung verwenden
Ist Echtzeitübertragung kritisch?	Strikte Zeitvorgaben, Prioritätsnachrichten	CAN (Nachrichtenpriorität) · TSN-Ethernet · Dedizierte Leitungen für Echtzeit
Batteriebetrieben oder stromsparend?	Schlafmodi, Funkaktivität, Datenrate	BLE, Zigbee, LoRaWAN (sehr stromsparend) · Wi-Fi/Mobilfunk nur bei kontinuierlicher Stromversorgung
Muss mit Smartphones/PCs verbunden werden?	Kompatibilität mit Mobilgeräten, PC-Schnittstellen	BLE, Wi-Fi, USB – wird nativ von mobilen und Desktop-Plattformen unterstützt
Muss in bestehende Systeme integriert werden?	Industrieprotokolle, Ökosystemkompatibilität	CAN (Automotive), Modbus/OPC-UA (industriell), Ethernet/IP (universell) · Matter ermöglicht plattformübergreifende Smart-Home-Integration
Soll es im Smart-Home eingesetzt werden?	Interoperabilität, einfache Integration, Unterstützung durch Ökosysteme	Thread, Matter – kompatibel mit Apple Home, Google Home und Alexa · Entwickelt für sichere, skalierbare und standardisierte Kommunikation
Eigenes Protokoll erforderlich?	Gibt es wirklich keinen Standard, der passt?	Fast nie notwendig. Bestehende Protokolle anpassen (z. B. CAN-Nachrichten, BLE-Profile), wenn nötig
Ist Sicherheit ein Thema?	Sensible Daten, Manipulationsrisiko	Protokolle mit Verschlüsselung nutzen (BLE Secure, WPA/Wi-Fi, Zigbee, Thread, Matter) · Anwendungsprotokoll absichern, falls nötig

Wie trifft man also die Wahl? Meist geschieht das durch Zuordnung der Anforderungen Ihrer Anwendung zu den Fähigkeiten der Protokolle. Ein professionelles Ingenieurteam analysiert Anforderungen (Datenrate, Reichweite, Strom, Kosten usw.) – in der Regel kristallisieren sich dann ein oder zwei passende Kandidaten heraus. Manchmal ist eine Kombination nötig (z. B. verwendet ein IoT-Gerät BLE für Einrichtung mit dem Handy, aber LoRaWAN zur Langstreckenübertragung). Die gute Nachricht: Selten muss man bei null anfangen – für fast jede Anforderungskombination gibt es Referenzdesigns und Beispiele aus der Praxis.

 

Protokolle passend zur Anwendung: Automotive, Medizintechnik, IoT und mehr

Schauen wir uns einige konkrete Branchen an – Automotive, Medizin und IoT – und sehen, welche Kommunikationsprotokolle sich dort bewähren. Das zeigt, wie sich die zuvor behandelten Konzepte in realen Entscheidungen niederschlagen.

Medizinische Geräte: Sicherheit und Integrität zuerst

Bei medizinischen Geräten und Ausrüstungen steht viel auf dem Spiel. Die Daten eines Geräts können lebenswichtig sein (z. B. Herzfrequenzmonitor, Insulinpumpe oder Beatmungsgerät), daher muss die Kommunikation absolut zuverlässig und oft auch rückverfolgbar bzw. validierbar für regulatorische Zwecke sein. Die Medizintechnik ist in der Regel zurückhaltend in der Übernahme neuer Technologien – sie bevorzugt bewährte Lösungen und Standards, die Interoperabilität und Sicherheit gewährleisten, insbesondere in der medizinischen Softwareentwicklung, wo Konformität und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Bei vielen medizinischen Geräten, vor allem bei größeren Anlagen, sind kabelgebundene Verbindungen üblich. In komplexen medizinischen Systemen (wie MRT-Scanner oder Patientenüberwachungssystemen) findet man Netzwerke, die stark an industrielle oder automotive Lösungen erinnern. Viele Hersteller medizinischer Geräte setzen auf CAN-Bus – ein serielles Protokoll, das speziell für zuverlässige Kommunikation in sicherheitskritischen Umgebungen entwickelt wurde. Ein chirurgisches Robotersystem beispielsweise könnte CAN verwenden, um sicherzustellen, dass jeder Motorcontroller und Sensor schnell und fehlerfrei kommuniziert. Die Fehlerprüfmechanismen zur Sicherstellung der Datenintegrität in CAN sind ein großer Pluspunkt für die Patientensicherheit.

Bei tragbaren oder mobilen medizinischen Geräten (wie Blutzuckermessgeräte, Blutdruckmonitore, Fitness-/Gesundheitstracker) ist Bluetooth Low Energy sehr beliebt geworden. Es ermöglicht diesen Geräten, sich mit Smartphone-Apps oder speziellen Hubs zu synchronisieren und z. B. Blutzuckerwerte oder EKG-Daten drahtlos zu übertragen. BLE bietet einen idealen Kompromiss: es ist stromsparend (die Batterien halten lange), sicher (mit Verschlüsselung und Kopplung für Datenschutz) und auf fast allen Plattformen (Smartphones, Tablets) verfügbar – Patienten können ihre eigenen Geräte zur Datenerfassung und Anzeige nutzen. Sie haben vielleicht schon medizinische Geräte (wie ein smartes Thermometer oder eine Insulinpumpensteuerung) gesehen, die sich per Bluetooth mit dem Handy verbinden – das ist BLE in Aktion.

 



 

Automotive: Zuverlässigkeit und Echtzeit auf der Straße

Die Automobilbranche ist ein Paradebeispiel für eine erfolgreiche Kommunikationsprotokollstrategie. Ein modernes Auto enthält Dutzende elektronische Steuergeräte (ECUs) – für Motorsteuerung, Getriebe, Bremsen, Lenkung, Airbagsysteme, Infotainment und sogar automotive HMI-Entwicklung für Fahrerinterfaces. Diese müssen während des Betriebs kontinuierlich Daten austauschen, wobei Sicherheit oberste Priorität hat. In dieser Umgebung spielen robuste Kommunikationsprotokolle eine zentrale Rolle, um das Zusammenspiel mehrerer ECUs zu koordinieren und Echtzeit-Reaktionsfähigkeit sicherzustellen. Das dominierende Protokoll ist hier der CAN-Bus (Controller Area Network). Wie bereits erläutert, wurde CAN speziell für Fahrzeuge entwickelt und bietet die Zuverlässigkeit, Störfestigkeit und Echtzeitfähigkeit, die Autos benötigen. Der CAN-Bus verbindet wichtige Steuergeräte: Der Motorcontroller sendet zum Beispiel Drehzahl und Temperatur, das Traktionskontrollsystem meldet durchdrehende Räder – und alle anderen ECUs, die diese Informationen benötigen, erhalten sie nahezu sofort. Die eingebaute Fehlerprüfung und Fehlertoleranz sorgen dafür, dass selbst in der elektromagnetisch stark belasteten Umgebung eines Fahrzeugs (Zündsystem, Motoren, Funkstörungen) Nachrichten korrekt übertragen oder automatisch wiederholt werden. Zudem erlaubt CAN Multi-Master-Betrieb – jede ECU kann Nachrichten auf den Bus senden (je nach Priorität). Diese Dezentralisierung ist wichtig – es gibt keinen zentralen Ausfallpunkt; fällt ein Knoten aus, können die übrigen weiter kommunizieren.

 

IoT und Unterhaltungselektronik: Konnektivität und Energiekompromisse

Die IoT-Welt (Internet of Things) ist weit gefasst – sie umfasst Smart-Home-Geräte, tragbare Technik, Umweltsensoren und sogar industrielle IoT-Knoten. Allen gemeinsam ist der Bedarf, eingebettete Geräte entweder mit dem Internet oder untereinander zu verbinden – oft drahtlos und häufig mit stark begrenztem Energiehaushalt.

Der IoT-Bereich erfordert drahtlose Kommunikationsstrategien, die Leistung und Energieverbrauch in Einklang bringen. In diesen Szenarien ist die Wahl eines geeigneten Standardprotokolls entscheidend für zuverlässige Konnektivität bei gleichzeitiger Kosten- und Energieoptimierung. Besonders bei batteriebetriebenen Geräten mit niedrigem Stromverbrauch wirkt sich die Protokollwahl direkt auf die Benutzerfreundlichkeit und Lebensdauer aus.

Hier kann die Auswahl des Kommunikationsprotokolls über den Produkterfolg entscheiden – da sie Installation, Benutzerfreundlichkeit, Akkulaufzeit und Skalierbarkeit direkt beeinflusst.

Im Bereich Smart Home und Consumer-IoT dominieren einige Protokolle: Wi-Fi, Bluetooth (inkl. BLE), Zigbee und neuerdings Thread/Matter (moderne Standards zur Vereinheitlichung der Gerätekommunikation).

Für Langstrecken-IoT (z. B. in der Landwirtschaft oder städtischen Sensorik) werden häufig LoRaWAN und ähnliche LPWAN-Protokolle eingesetzt. Sie ermöglichen es Städten oder Unternehmen, ein Netz von Sensoren ohne SIM-Karten zu betreiben und dennoch große Distanzen abzudecken. Wenn der Anwendungsfall es rechtfertigt und Echtzeit- oder hohe Datenraten erfordert, wird auch Mobilfunk-IoT eingesetzt (z. B. mit NB-IoT oder Cat-M1-Modems zur Fahrzeugortung oder Anbindung entfernter Geräte).

 

Der Mehrwert eines erfahrenen Partners in der Embedded-Kommunikation

Wie wir gesehen haben, sind Kommunikationsprotokolle ein grundlegender Bestandteil jedes eingebetteten Systems und beeinflussen maßgeblich die Zuverlässigkeit, Effizienz und Kompatibilität eines Produkts. Für Entscheidungsträger und Unternehmer hilft ein grundlegendes Verständnis dieser Protokolle dabei, fundierte Projektentscheidungen zu treffen – von der Frage, ob Ihr Produkt zuverlässig in seiner Umgebung arbeitet, über die Integration mit anderen Systemen bis hin zu Markteinführungszeit und Entwicklungskosten.

Die Welt der eingebetteten Kommunikation bietet viele bewährte Lösungen. Die Herausforderung besteht selten darin, etwas Neues zu erfinden, damit Geräte kommunizieren können, sondern vielmehr darin, die optimale Methode auszuwählen und korrekt zu implementieren. Genau hier ist ein erfahrener Technologiepartner von unschätzbarem Wert. Es geht nicht nur um Technik – sondern darum, eine Lösung zu liefern, die Ihre geschäftlichen Ziele (Leistung, Kosten, Zeitplan, Skalierbarkeit) erfüllt.

Egal ob Sie Ihr erstes Embedded-Produkt entwickeln oder eine bestehende Lösung skalieren: Die richtigen Kommunikationsentscheidungen können entscheidend sein. Wenn Sie nicht wissen, wo Sie anfangen sollen, oder eine zweite Meinung zu Ihrem aktuellen Kurs wünschen – kontaktieren Sie uns!