Energieeffiziente IoT-Funktechnologien

Mit welchen IoT-Funktechnologien können räumlich verteile, intelligente Sensoren mit dem Internet der Dinge verbunden werden? Egal ob LoRa, NB-IoT, LTE-M oder Sigfox, gewinnen Sie einen Überblick über aktuelle Technologien und deren Einsatzszenarien.
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9. November 2020

geschrieben von Olaf Neugebauer

Das Internet der Dinge

IoT-Funktechnologien bilden das Rückgrat des Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) und dies ist seit einigen Jahren ein Dauerbrenner. Nicht nur private Haushalte besitzen smarte Beleuchtung oder Temperatur-Sensoren sondern auch Versorgungsnetzbetreiber oder Stadtwerke verwenden IoT-Sensorik, so genannte Smart Meters, zur Überwachung der Gas-, Wasser- oder Stromlieferungen. Auch Aufzugbetreiber setzen IoT-Sensorik zur Fernüberwachung der Aufzüge ein und in der Landwirtschaft sind IoT-Sensoren, die die Bodenqualität der Felder oder die Luftqualität in Viehställen messen, nicht mehr wegzudenken. Die Liste lässt sich beliebig weiterführen. Wir sehen, dass das Internet der Dinge nicht nur ein Buzzword ist, sondern fast alle Bereiche unseres täglichen Lebens durchdringt. Gartner prognostiziert 25 Milliarden vernetzte Geräte/Dinge (Things) bis zum Jahr 2025. In diesem Artikel möchten wir Funktechnologien vorstellen, die viele Anwendungsfälle im IoT durch eine hohe Energieeffizienz und den damit verbundenen Batteriebetrieb erst ermöglichen.

Anforderungen an IoT-Funktechnologien

IoT-Geräte können über zwei Techniken miteinander verbunden werden, kabelgebunden oder kabellos. Kabelgebundene Technologien bieten sich bei ortsgebundenen Systemen an. Hier findet z.B. Ethernet häufig Anwendung. Mit dieser Verkabelung können nicht nur Daten ausgetauscht werden, sondern die IoT-Sensoren auch mit Strom versorgt werden. Somit entfällt die Anforderung an eine separate Stromversorgung. Eine solche Lösung bedeutet in der Regel einen erhöhten Installationsaufwand und ist nicht immer realisierbar. Daher kommen abhängig vom Anwendungsfall immer häufiger drahtlose Kommunikationstechnologien zum Einsatz.

Bei den Funktechnologien ist sicher WLAN am bekanntesten. Dies kann natürlich auch für IoT-Sensorik verwendet werden. Allerdings benötigen WLAN-Verbindungen verhältnismäßig viel Energie, wodurch ein batteriebetriebener Einsatz kaum sinnvoll möglich ist. Für diesen Zweck haben sich weitere, populäre Technologien, wie Bluetooth oder Zigbee entwickelt. Alle drei Technologien haben jedoch ein Manko, wenn es bestimmte Anforderungen geht. Oder haben Sie schon einmal versucht eine WLAN-Verbindung aus dem Keller aufzubauen? Oder im Garten? Richtig, diese Technologien eigenen sich nicht besonders, wenn es darum geht Hindernisse oder Distanzen zu überwinden. Es ist jeweils eine lokale Infrastruktur notwendig, die nur einen begrenzten Bereich abdecken kann. Stellen Sie sich nun vor, Sie möchten beispielsweise ihr Maisfeld überwachen, da disqualifizieren sich die traditionellen Technologien schnell.

IoT in Kombination mit LPWAN-Technologien

Wie zuvor erläutert, betrachten wir im weiteren Verlauf Szenarien, in denen die Sensoren autark agieren sollen. Die Sensoren werden somit über eine Batterie mit Strom versorgt und sollen möglichst lange ohne Wartung in Betrieb bleiben. Für diese Einsatzzwecke gibt es die Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) Technologie. Im Folgenden möchten wir drei Ansätze näher vorstellen, die sich für batteriebetriebene IoT-Sensorik eignen.

LoRA und LoRaWAN

Bei LoRa (Long Range) handelt es sich um ein lizenzfreie FunkfrequLoRa Logoenz für Europa im 868 MHz Band. Sie ermöglicht Kommunikationsstrecken für über 10km bei niedrigem Energieverbrauch. Das darauf aufbauende Protokoll heißt LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network). Besonders interessant ist die tiefe Durchdringung von Gebäuden. Bei einem Kunden haben wir beispielsweise einen LoRa-Sensor im Keller montiert und konnten die Signale im 8. Stock noch empfangen.

Gateway Struktur für IoT-Funktechnologien
Schematischer Aufbau eines LoRa-Netzes mit Gateway, Sensoren und IoT-Plattform

LoRa-Sensoren verbinden sich zu einem Gateway, welches mit dem Internet verbunden ist (ähnlich wie ein WLAN-Router). So können die Daten in eine IoT-Plattform übermittelt werden. Das Gateway kann entweder selbst betrieben werden oder man verwendet ein öffentliches LoRa-System, welches oft von Stadtwerken oder Kommunen betrieben wird. Bei einem eigenen Gateway behält man die volle Datenhoheit. Dies ist besonders interessant, wenn sie sensible Sensordaten verarbeiten möchten.

Gute industrietaugliche Gateways gibt es bereits um 1.000€ und die LoRa-Komponenten für die Sensoren sind recht günstig zu erhalten. Da während des Betriebs keine Lizenzkosten anfallen, sind lediglich die initialen Investitionskosten, die Stromkosten und Internetgebühren für das Gateway zu berücksichtigen. Prototypen lassen sich deutlich günstiger realisieren, hier verwenden wir häufig einen Raspberry Pi mit den passenden LoRa-Komponenten.

Aufgrund der günstigen Infrastruktur und der Reichweite einzelner Gateways über mehrere Kilometer ist LoRa eine beliebte Technologie im Bereich Smart City (und bereits in vielen Städten verfügbar). 

NB-IoT und LTE-M

NarrowBand-IoT (NB-IoT) verwendet das bestehende LTE-Netz im dem auch ihr Mobiltelefon funkt. Da es das LTE-Netz verwendet, fließen die Daten über den Netzbetreiber. Die IoT-Sensoren benötigen, wie ein Mobiltelefon, eine SIM-Karte samt Vertrag. Je nach Konstellation und Anforderungen an den Mobilfunkvertrag können die Kosten stark variieren. Mit LTE for Machine Type Communication (LTE-M) lassen sich mobile Sensoren vernetzen, da dieses Verfahren ein „handover“ zwischen den Funkzellen vereinfacht. Außerdem ist die Bandbreite etwas höher und ermöglich die Übertragung größerer Datenmengen.

NB-IoT und LTE-M haben ebenfalls eine gute Gebäudedurchdringung bei akzeptablem Energieverbrauch. Wichtig ist, dass die Infrastruktur vom Netzbetreiber bereitgestellt wird. Vereinfacht gesagt, da wo es keinen Mobiltelefonempfang gibt, wird es schwer mit NB-IoT und LTE-M. Auch werden die Daten über die zentrale Infrastruktur des Providers geleitet. Diese Randbedingungen müssen vor dem Einsatz besonders geprüft werden. Auf der anderen Seite ist im Gegensatz zum Einsatz von LoRa eher mit einer Netzverfügbarkeit zu rechnen, wenn man den genauen Einsatzort nicht im voraus kennt. 

SIGFOX

Als weitere Technologie für das Internet der Dinge möchten wir SIGFOX vorstellen. Hierbei handelt es sich um ein proprietäres Funknetz, welches durch die gleichnamige Firma betrieben wird, d.h. SIGFOX betreibt eigene Funkstationen. Es fallen daher Nutzungsentgelte an und die Daten laufen über die SIGFOX Infrastruktur. Damit ist diese Technologie vergleichbar mit NB-IoT und LTE-M. SIGFOX kann nur mit wesentlich mehr IoT-Sensoren pro Funkzelle umgehen als das aktuelle LTE/NB-IoT Netz.

Vor- und Nachteile der vorgestellten Technologien

  WLAN LoRa NB-IoT LTE-M Sigfox
Reichweite + + + +
Bandbreite + 0
Kosten + +
Datenhoheit + +

Die Tabelle spiegelt lediglich einen relativen Vergleich der Technologien wieder.

Anwendungsbeispiele

Im Folgenden gehen wir auf mögliche Einsatzszenarien ein  und erklären, welche Technologie sich für welchen Use Case am besten eignet.

Brunnenüberwachung auf dem Werksgelände

Ein Kunde von uns stand vor der Herausforderung, die Wasserbrunnen auf dem Werksgelände zu überwachen. Solche Brunnen findet man häufig im produzierenden Gewerbe. Hier war die Datenhoheit besonders wichtig. Da die Brunnen verteilt auf dem Werksgelände verstreut waren, war eine kabelgebundene Überwachung nicht möglich. Gleichzeitig spielte die Durchdringung der Funksignale eine wichtige Rolle und das Einsatzgebiet der geplanten Sensoren konnte gut mit einem LoRa Gateway abgedeckt werden. Aus diesen Gründen haben wir uns auch für die LoRa-Technologie entschieden. Um die Datenhoheit zu gewährleisten wurde ein privates LoRa-Netz aufgebaut.

Parkraumüberwachung in der Stadt

Wer kennt es nicht, man fährt mit dem Auto in die Stadt und sucht einen freien Parkplatz. Hier wäre eine intelligente Parkraumüberwachung samt Leitsystem und App ein Segen! Dass Zauberwort ist hier Smart City. Bestehende Parkplätze lassen sich relativ günstig mit Sensorik ausstatten, die überprüft, ob ein Platz belegt ist oder nicht. Doch wie kommen die Daten in das Internet? Hier bietet sich ein öffentliches LoRa-Netzwerk an. Die Infrastrukturen sind häufig bereits durch Stadtwerke und Kommunen verfügbar, um genau solche Use Cases wie die Parkraumüberwachung kostengünstig zu realisieren.

Heizungsüberwachung im Wohnhaus

Viele Heizungshersteller und Betreiber wissen oft nicht wie sich ihre Heizungen „im Feld“ verhalten. Sie erhalten höchstens über Service-Techniker oder Kundenbeschwerden einen Einblick. Lange Zeit war es problematisch, die Daten zuverlässig aus dem Heizungskeller in das Internet zu übermittelt. Auf Kooperation mit den Hauseigentümern kann man sich in solchen Fällen nicht verlassen, wer möchte schon ein „fremdes“ Gerät über seinen WLAN und Internetanschluss betreiben. Gleichzeitig bleibt damit immer eine Fehlerquelle, die man nicht selber im Griff hat. Da im Allgemeinen hinreichende LTE-Abdeckung für Gebäude besteht und sich vergleichsweise wenige IoT-Sensoren in räumlicher Nähe befinden, bietet sich in diesem Fall NB-IoT oder LTE-M an.

Starten Sie jetzt!

Die hier vorgestellten Technologien ermöglichen viele neue Anwendungsfälle im Internet der Dinge. Batteriebetrieb, kostengünstige Infrastrukturen und eine hohe Durchdringung sind wichtige Faktoren. Noch stehen wir am Anfang des IoT, doch bereits mit der aktuellen Technologie können wir Sensordaten über große Distanzen übertragen. Die Investitionskosten sind überschaubar, Prototypen schnell entwickelt und Produkte mit einer hohen Marktreife verfügbar. Mit 5G steht bereits die nächste Technologie in den Startlöchern und wir sind neugierig was die Zukunft spannendes bringen wird. Gerne unterstützen wir Sie bei der Technologieauswahl im Rahmen unseres Digital Consulting.

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