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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Internet-of-Things Modul.
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Im Bereich Internet-of-Things loT (Internet der Dinge) sind typischerweise Sensoren und/oder Aktoren über Kabel mit einem Netzwerk verbunden, um eine Kommunikation zu erlauben. Eine Kommunikation mit den Sensoren und/oder Aktoren kann beispielsweise auf einem IP-Protokoll basieren. Bislang ist es üblich, eine Kommunikation indirekt über Gateways (Umsetzer) zu implementieren. Die Kommunikation mit dem Netzwerk zum Gateway ist dann typischerweise eine IP-basierte Kommunikation, während die Kommunikation zwischen dem Gateway und dem Sensor oder Aktor nicht auf einem IP-Protokoll basiert.
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Andererseits sind Sensoren und/oder Aktoren bekannt, welche eine drahtlose Kommunikation (beispielsweise WLAN, 4G, 5G etc.) mit einem Netzwerk ermöglichen, so dass eine IP-basierte Kommunikation verwirklicht werden kann.
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Wenn die Sensoren und/oder Aktoren drahtgebunden an das Netzwerk angebunden sein müssen, dann kann dies beispielsweise über ein Ethernet Protokoll mit mehrpaarigen Ethernet Leitungen erfolgen. Hierbei kann eine Stromversorgung der Sensoren und/oder Aktoren über ein „Power over Ethernet“ erfolgen.
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WO 2018/158778 A1 zeigt ein Internet-of-Things Modul mit einer Schnittstelle zum Datenaustausch und zur Spannungsversorgung. Ferner ist ein Spannungsregler zum Umwandeln der Spannung an der Schnittstelle vorgesehen. Das Modul weist ferner einen Kommunikationscontroller und eine weitere Schnittstelle zur Kopplung an einen Sensor oder Aktuator auf.
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WO 2019/183340 A1 beschreibt ein Zugriffssteuersystem mit einer Power over Ethernet Schaltung, welche zur Spannungsversorgung und zur Kommunikation dient.
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US 2019/0263339 A1 zeigt ein Erfassungssystem für ein Fahrzeug. Hierbei erfolgt eine Spannungsversorgung sowie Kommunikation über eine Power over Ethernet Schnittstelle.
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DE 10 2017 111 272 A1 zeigt ein Verfahren zum Bereitstellen von Leistungen für Maschinenmessvorrichtungen über ein Datenkommunikationsnetz. Hierbei wird eine Power over Ethernet Schnittstelle zur Kommunikation und zur Stromversorgung verwendet.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Internet-of-Things Modul vorzusehen, welches eine verbesserte Kommunikation zwischen einem Netzwerk und einem Sensor und/oder Aktor ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Internet-of-Things Modul gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht hierbei auf dem Gedanken, eine hybride Single Pair Ethernet Architektur zu verwenden, um sowohl Daten als auch Energie an den Sensor und/oder Aktor zu übertragen. Eine hybride Single Pair Ethernet Leitung weist 2 getrennte Leitungspaare auf, eines zur Übertragung von Daten und eines zur Übertragung der Energie. Durch das erfindungsgemäße Modul, welches zwischen einem Sensor und/oder Aktor vorgesehen ist, kann eine Kommunikation zwischen einem Netzwerk und dem Sensor und/oder Aktor basierend auf einem IP-Protokoll erfolgen. Damit ist eine direkte Kommunikation der Sensoren/Aktoren mit dem Netzwerk möglich, ohne dass dabei ein Umsetzer oder ein Gateway dazwischen benötigt wird. Die Kommunikation zwischen dem Modul und dem Netzwerk ist somit IP-basiert.
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Das erfindungsgemäße Modul weist eine erste Schnittstelle auf, über welche das Modul mit einem Single Pair Ethernet Kabel verbunden ist und sowohl Daten empfangen und senden kann als auch mit Energie versorgt werden kann.
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Das Modul weist eine zweite Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Sensor/Aktor auf. Das Modul weist einen Spannungsregler zum Einstellen der benötigten Spannung sowie einen Controller auf, welcher eine IP-basierte Kommunikation über die erste Schnittstelle ermöglicht. Das Modul weist eine zweite Schnittstelle auf, über welche sie mit einem Sensor und/oder Aktor gekoppelt sein kann, um Daten, Signale und/oder Befehle zu übertragen und eine Energieversorgung für den Sensor/Aktor bereitzustellen. Mittels des Controllers erfolgt eine IP-basierte Kommunikation mit dem Netzwerk über hybride Single Pair Ethernet Kabel. Dies ist vorteilhaft, weil somit ein bereits gut bekanntes Übertragungsprotokoll (nämlich das IP-Übertragungsprotokoll) für die Kommunikation zwischen dem Sensor und dem Netzwerk verwendet werden kann. Damit können übliche und breit verfügbare Softwarebibliotheken für die Kommunikation verwendet werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Internet-of-things Moduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Verwendung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls zusammen mit einem Sensor und einem an das Modul angeschlossenen Kabels,
- 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls, eines Adapters und eines Sensors,
- 5a zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Internet-of-things Moduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5b zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung betrifft eine Internet-of-Things Infrastruktur, in der eine Mehrzahl von Sensoren und/oder Aktoren über ein Netzwerk (Internet) mit anderen Komponenten kommunizieren kann. Die Kommunikation der Sensoren und/oder Aktoren mit einem Netzwerk basierend auf einem IP Protokoll. Die Sensoren und/oder Aktoren sind über hybride Single Pair Ethernet SPE Leitungen gekoppelt, über welche ein Daten- und Befehlsaustausch sowie die Energieversorgung erfolgen. Jedem Sensor und/oder Aktor wird ein erfindungsgemäßes Internet-of-Things Modul zugeordnet, welches eine Schnittstelle zwischen dem Sensor und/oder Aktor und den Single Pair Ethernet SPE Leitungen bildet.
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Internet-of-things loT (Internet der Dinge) Moduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das loT Modul 1 weist eine erste Schnittstelle 3a und eine zweite Schnittstelle 3b auf. Über die erste Schnittstelle 3a kann das Modul 1 mit der hybriden Single Pair Ethernet SPE Leitung gekoppelt werden. Über die zweite Schnittstelle 3b kann das Modul 1 mit einem Sensor/Aktor gekoppelt werden. Das Modul 1 kann einen Spannungsregler 4 (DC/DC Wandler), einen Controller 5, eine PHY Einheit 2a, eine MAC Einheit 2b, einen Speicher 5a, eine Peripherie Einheit 5b und ein Secure Element 5c aufweisen. Der Spannungsregler 4 dient der Umwandlung der an der ersten Schnittstelle anliegenden DC Spannung in eine zum Betrieb des Moduls 1 benötigten Spannung. Die PHY Einheit 2a dient der Codierung/Decodierung der T1-Ethernetsignale (Signale, welche über die hybride Single Pair Ethernet Leitung übertragen werden) und stellt Hostseitig eine Ethernet-spezifische medienunabhängige Schnittstelle bereit. Die PHY Einheit 2a wandelt die Daten von und zu dem Controller um, welche über die hybride Single Pair Ethernet Leitung empfangen oder übertragen werden.
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Die MAC Einheit 2b stellt eine Media Access Control Einheit (Medienzugriffssteuerung) dar und dient der IP basierten Kommunikation über die hybride Single Pair Ethernet SPE Leitung.
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Das Secure Element 5c dient der sicheren IP basierten Kommunikation über die hybride Single Pair Ethernet Leitung.
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Die T1 Ethernet Protokoll basiert auf dem IEEE 802.3bw Standard und ermöglicht eine Übertragung über Single Pair Ethernet Leitungen auf der Basis des IP Protokolls. Das T1 Ethernet Protokoll erlaubt z.B. eine 100BASE-T1 Ethernet Kommunikation.
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Die Peripheral Unit dient dem Zugriff auf die Sensor/Aktor-Signale durch den Controller, beispielsweise in Form eines Analog-Digital-Konverters.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das erfindungsgemäße Internet-of-Things Modul 1 weist eine erste Schnittstelle 3a, einen Spannungsregler 4, einen Controller 5 sowie eine zweite Schnittstelle 3b auf. Über die erste Schnittstelle 3a wird das Modul mit einem Steckverbinder 7 gekoppelt, über welchen ein hybrides Single Pair Ethernet Kabel angeschlossen werden kann. Über diese erste Schnittstelle 3a erfolgt dann eine IP-basierte Kommunikation von Daten und Befehlen sowie eine Energieversorgung. Über die zweite Schnittstelle 3b kann das Modul 1 mit einem Sensor und/oder Aktorgekoppelt sein. Optional kann eine Anpassungseinheit 8 zwischen der zweiten Schnittstelle 3b und dem Sensor und/oder Aktor vorgesehen sein. Das Modul 1 und optional die Anpassungseinheit 8 kann auf einer Trägerplatine 6 vorgesehen sein.
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Der Spannungsregler 4 dient zur Umwandlung der über das Single Pair Ethernet Kabel empfangenen Spannung in eine von dem Modul 1, und optional der Anpassungselektronikeinheit 8 oder dem Sensor und/oder Aktor, benötigten Spannung.
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Das Internet-of-Things Modul 1 kann ferner optional auf einer Trägerplatine 6 vorgesehen sein und weist optional einen Bauteilträger 9 auf. Das Modul 1 weist einen ersten Anschluss bzw. eine erste Schnittstelle 3a auf, über welche(n) das Modul mit einer Hybridleitung beispielsweise in Form eines Single Pair Ethernet Kabels gekoppelt sein kann. Über dieses Kabel können sowohl Daten als auch Energie übertragen werden. Das Modul 1 weist einen Spannungsregler 4 zum Umwandeln der an den ersten Anschluss anliegenden Spannung in eine für das Modul 1 sowie optional für einen an das Modul anschließbaren Sensor/Aktor benötigte Spannung auf. Das Modul 1 weist ferner einen Controller 5 und eine zweite Schnittstelle 3b auf, mittels welcher das Modul 1 direkt oder indirekt an einen Sensor und/oder Aktor gekoppelt werden kann. Über die zweite Schnittstelle können Daten und/oder Befehle mit dem Sensor/Aktor ausgetauscht werden. Ferner dient die zweite Schnittstelle auch dazu, dem Sensor/Aktor eine Spannungsversorgung vorzusehen.
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Das Modul 1 weist eine PHY Einheit 2a auf. Diese PHY Einheit 2adient der Codierung und Decodierung von Daten, welche über das Hybridkabel an das Modul übertragen werden oder Daten, die das Modul über die Hybridleitung zu übertragen hat. Mittels der PHY Einheit 2a kann ein digitaler Zugriff auf einem moduliert betriebenen Kanal verwendet werden.
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Bei der PHY Einheit 2a handelt es sich um einen Baustein, der die Codierung/Decodierung der T1-Ethernetsignale (Signale, welche über die hybride Single Pair Ethernet übertragen werde) vornimmt und Hostseitig eine Ethernet-spezifische medienunabhängige Schnittstelle bereitstellt. Die PHY Einheit 2a wandelt die Daten von und zu dem Microcontroller bzw. dem Switch um, welche über die Single Pair Ethernet Leitung empfangen oder übertragen werden.
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Der Controller 5 weist beispielsweise einen Mikrocontroller, einen Speicher 5a auf. Das Modul 1 weist eine Medium Access Control Einheit 2b auf, welche über das Ethernet-spezifische Medium Independent Interface MII mit der PHY Einheit 2a gekoppelt ist. Der Controller 5 dient ferner dazu, den oberhalb der MAC-Ebene liegenden Teil des IP-Netzwerkstacks auszuführen. Das Modul weist optional mindestens ein Secure Element 5c auf, welches dazu dient, einen geheimen nicht auslesbaren privaten Schlüssel für die Kommunikation zu verwenden. Damit kann eine Verschlüsselung einer Internet-of-Things Kommunikation zwischen dem Modul und einem Netzwerk sowie eine Authentifizierung des Moduls ermöglicht werden. Optional kann dieses Secure Element weitere Mechanismen für eine sichere Kommunikation und Authentifizierung bereitstellen, beispielsweise eine Signierfunktion oder einen Zufallszahlengenerator.
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Das Modul 1 kann auf einer Trägerplatine 6 mechanisch vorgesehen sein. Die Trägerplatine 6 kann ferner einen Steckverbinder 7 aufweisen, an welchem eine Hybridleitung beispielsweise in Form einer Single Pair Ethernet Leitung angeschlossen wird. Optional kann die Trägerplatine eine Anpassschaltung 8 aufweisen. Die Anpassschaltung 8 dient der Kommunikation mit dem an das Modul gekoppelten Sensor und/oder Aktor 15. Die Anpassschaltung kann damit Daten, Signale und/oder eine Spannungsversorgung für die Sensoren anpassen.
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Das Modul 1 mit der Trägerplatine 6 kann als eine dedizierte Einheit vorgesehen sein. Alternativ dazu kann das Modul zusammen mit der Trägerplatine 6 als ein System-in-Package, System-on-Chip realisiert werden.
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3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls zusammen mit einem Sensor und einem an das Modul angeschlossenen Kabels. In 3 ist das Modul 1 in einem Sensorgehäuse 13 dargestellt. Das Modul 1 ist mit einem Steckverbinder 7 gekoppelt, an welchen wiederum ein Hybridkabel (hybride Single Pair Ethernet Leitung) 11, 12 gekoppelt ist. Ein Sensor oder ein Sensor/Aktor 15 ist mit der Trägerplatine 6 gekoppelt. Damit sind alle Komponenten (Modul 1, Trägerplatine 6, Sensor 15, Steckverbinder 7) in dem Sensorgehäuse 13 integriert. Damit stellt das daraus resultierende Bauteil einen Internet-of-Things Sensor dar, welcher beispielsweise basierend auf einem IP Protokoll und einem Single Pair Ethernet Kabel mit einem Netzwerk kommunizieren kann. Zwischen dem Sensor 15 und der Trägerplatine 6 sind Sensorleitungen 14 vorgesehen. Das Ausführungsbeispiel von 3 ist insbesondere im Hinblick auf einen optimierten Bauraum vorteilhaft, weil dadurch der Bauraum reduziert werden kann. Ferner ist der in 3 gezeigte Sensor vorteilhaft, falls der Sensor in einer hohen Stückzahl gefertigt wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls, eines Adapters und eines Sensors. In 4 ist neben dem Modul 1 und dem Steckverbinder 7 sowie der Trägerplatine 6 ein Adapter 24 vorgesehen, welcher zwischen dem Modul und dem Sensor vorgesehen ist. Das Modul 1 kann auch als Teil eines Adapters 24 vorgesehen sein, welcher zwischen dem Sensor und dem Hybridkabel vorgesehen ist und damit als Schnittstelle zwischen dem Hybridkabel (hybride Single Pair Ethernet Leitung) und dem Sensor dient. Hierbei kann der Adapter 24 eine Datenkonvertierung sowie eine Spannungskonvertierung ermöglichen. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Sensoren variabel einsetzbar sein soll. Während in dem Ausführungsbeispiel von 2 und 3 lediglich eine Anpassschaltung 8 vorgesehen ist, ist diese Anpassschaltung in 4 zweigeteilt, nämlich ein erster Teil 8a, welcher Teil des Adapters ist, und ein zweiter Teil 8b, welcher Teil des Sensors ist. Zum Anschluss des Sensors an den Adapter 24 kann eine Steckverbindung 21, 23 zwischen Adapter 24 und Sensor vorgesehen sein.
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5a zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Internet-of-things Moduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das loT Modul 1 weist eine erste Schnittstelle 3a und eine zweite Schnittstelle 3b auf. Über die erste Schnittstelle 3a kann das Modul 1 mit der hybriden Single Pair Ethernet SPE Leitung gekoppelt werden. Über die zweite Schnittstelle 3b kann das Modul 1 mit einem Sensor/Aktor gekoppelt werden. Das Modul 1 kann einen Spannungsregler 4 (DC/DC Wandler), einen Controller 5, zumindest zwei PHY Einheiten 2a, zumindest zwei eine MAC Einheiten 2b, eine Schalteinheit 32 (Ethernet switch, switch fabric) einen Speicher 5a, eine Peripherie Einheit 5b und ein Secure Element 5c aufweisen. Der Spannungsregler 4 dient der Umwandlung der an der ersten Schnittstelle anliegenden DC Spannung in eine zum Betrieb des Moduls1 benötigten Spannung.
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Der Unterschied zu 1 besteht darin, dass mehrere PHY Einheiten 5a und mehrere MAC Einheiten 5b vorhanden sind. An jede der PHY Einheiten 5a kann eine hybride Singgle Pair Ethernet Leitung angeschlossen werden
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5b zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das Modul 1 weist neben einem Controller 5 einen Spannungsregler4 sowie zwei PHY-Einheiten 2a und einen Ethernet Switch 32 auf. Der Ethernet Switch 32 ist sowohl mit dem Mikrocontroller 5 als auch mit den zwei PHY-Einheiten 2a gekoppelt. Dies erfolgt insbesondere über eine Medium Independent Interface MII. Das Modul 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von 5b kann somit an zwei unterschiedliche Hybridleitungen angeschlossen werden.
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Durch die Verwendung von mindestens zwei PHY Einheiten 2a muss die Netzarchitektur der loT Sensoren/Aktoren nicht mehr sternförmig sein, sondern kann als Linie realisiert werden. Mehrere PHY Einheiten können in einer Linientopologie nacheinander geschaltet werden und eine IP basierte Kommunikation ermöglichen. Hierbei entstehen nur geringe Stromwandlungsverluste, da der Strom dank der Hybridverkabelung durch jedes Modul durchgeschleift werden kann.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Internet-of-Things Moduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. In 6 ist ein Modul gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, welches auf dem zweiten Ausführungsbeispiel von 3 beruht. Wie in 3 weist das Modul einen Controller 5, optional einen Ethernet Switch 32, einen Spannungsregler 4 sowie zwei PHY-Einheiten 2a auf. Ferner sind zwei Steckverbinder 7 mit den PHY Einheiten 2 gekoppelt. An die beiden Steckverbinder 7 ist jeweils ein Hybridkabel 11, 12 gekoppelt. Das Hybridkabel 11, 12 kann beispielsweise eine Single Pair Ethernet Leitung darstellen.
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Des Weiteren ist am Ausgang der beiden Steckverbinder 7 jeweils eine Datenleitung 41 vorgesehen. Zusätzlich dazu sind Spannungsversorgungsleitungen 42 vorgesehen, welche mit dem Spannungsregler 4 gekoppelt sind. Dies ist vorteilhaft, weil hiermit eine Anreihung (Daisy Chaining) von Internet of Things Modulen ermöglicht wird. Die Spannungsversorgung für das Modul kann hierbei beispielsweise als Bus ausgestaltet sein. Die Spannungsversorgung in Form eines Busses ist vorteilhaft, da die Energie für das nächste Element nicht über einen Übertrager geleitet werden muss, wobei der Übertrager sich negativ auf die Datensignale auswirken kann und verlustbehaftet ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können somit zweipaarige Busverkabelungen (KNX; RS485) verwendet werden, ohne dass eine Neuverkabelung benötigt wird.
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Gemäß der Erfindung wird somit ein Internet-of-Things Modul vorgesehen, welches Sensoren mit einem Netzwerk koppeln kann und eine IP-basierte Kommunikation ermöglicht. Das Internet-of-Things Modul weist einen Bauteileträger 9, eine PHY-Einheit 2a, einen Spannungsregler 4 und einen Controller 5 auf. Optional weist das Modul 1 ein Secure Element 5c und einen Speicher 5a auf. Das Internet-of-Things Modul weist eine Schnittstelle auf, über welche Sensoren und/oder Aktoren mit dem Modul gekoppelt werden können. Der Controller 5 ist dazu geeignet, eine IP-basierte Kommunikation zu ermöglichen.
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Optional kann das Modul 1 mindestens eine Mehrzahl von PHY Einheiten 2a aufweisen. Ferner kann das Modul einen Ethernet Switch aufweisen, welcher die PHY Einheiten und den Controller 5 verbinden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor/Adapter vorgesehen, welcher ein Internet-of-Things Modul aufweist (wie oben beschrieben). Der Adapter kann ein Gehäuse, einen netzwerkseitigen Steckverbinder, einen sensorseitigen Steckverbinder, eine Trägerplatine und optional eine Anpassschaltung für den Sensor/Aktor aufweisen.
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Der Controller ist dazu in der Lage, Codes auszuführen, um eine IPv6-basierte Kommunikation zu ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Internet-of-Things Modul in einem integrierten Baustein vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein n-Port T1-Hybridswitch mit einem Internet-of-Things Modul vorgesehen sein. Der Switch kann in Kabelsträngen verbaut werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Media Converter mit einem Internet-of-Things Modul vorgesehen, der eine zusätzliche PHY-Einheit und einen Ethernet Switch aufweist. Der Media Converter kann in Kabelsträngen integriert werden.
