LPWAN-Kommunikationstechnologie Smart Home – Smart City – Smart Everything

Smart Home - Smart City
Smart Home - Smart City

Wenn man Städte der Zukunft beschreibt, gehören Wartezeiten und Parkplatzsuche zu den Mythen der Vergangenheit. Bis dem aber tatsächlich so ist, wird es noch eine Weile dauern. Aber – es wird fleißig daran geforscht, so auch am Fraunhofer IIS.

Wie schön wäre es, wenn Du geschafft von der Uni in dein kleines WG-Zimmer nach Hause kommst und das Fenster im Sommer bereits offen steht – oder es ist schon kuschelig warm im Winter, ohne dass die Heizung läuft, während Du in einer Vorlesung sitzt. Und im Kühlschrank wäre immer etwas Essbares, denn der bestellt ganz von selbst nach, egal wie viele Mitternachtssnacks Dein Mitbewohner isst. Doch es geht noch größer. Stell dir vor, die Deutsche-Bahn-App zeigt wirklich alle Verspätungen genau an, weil die Gleise und Züge alle korrekt verfolgt werden, oder öffentliche Toiletten geben Bescheid, dass Klopapier und Seife leer sind. Wie entspannt wäre die Parkplatzsuche, wenn Maps auf dem Smartphone genau weiß, wo der nächste freie Parkplatz ist, weil jeder Parkplatz mit einem Sensor bestückt ist, der Bescheid gibt, ob ein Auto drauf steht oder nicht.

Kommunikation ist alles

»Man kann nicht nicht kommunizieren.« Die Aussage des bekannten Kommunikationswissenschaftlers Paul Watzlawick gilt nicht mehr nur für Menschen, sondern auch Dinge, angefangen beim Smartphone bis (bald) zum Wand- und Kühlschrank. Das Allesnetz, das Internet der Dinge (IoT), ist ein neuer Meilenstein der Technik und vernetzt Technik und Alltag immer tiefer. Doch wo kommuniziert wird, braucht es auch ein Medium, das dies ermöglicht. Als Lösung für smarte Städte hat das Fraunhofer IIS das »My Internet Of Things« entwickelt, kurz MIOTY. Es handelt sich dabei um eine Low-Power-Wide-Area-Kommunikationstechnologie, die über eine flache Strecke von 15 km bei einer Datenrate von 407 bit/s kommunizieren kann.

Wie funktioniert´s?

Für die MIOTY-Kommunikation werden Sensoren über weite Distanzen (bis 15 km) verteilt. Die Messdaten dieser Sensoren werden per Funk an die MIOTY-Basisstation gesendet, was bei Distanzen von bis zu 15 km aber schnell problematisch werden kann. Darum wird das Signal des Sensors in kleine Pakete zerstückelt. Technisch gesehen bedeutet das, dass ein Signal, das von den Sensoren gesendet werden soll, in viele kleine Subpakete unterteilt wird. Diese werden auf unterschiedlichen Frequenzen in kurzem zeitlichen Abstand als kurze Funksignale gesendet. Diese kleinen Pakete finden größtenteils ihren Weg zur Station, wie Babyschildkröten ins Meer, die dem Licht folgen, das vom Wasser reflektiert wird.

Sie haben mit Unwägbarkeiten zu kämpfen: Wellen, Sand und Wind, oder eben Funksignalen mit der gleichen Frequenz, Störungen und funkundurchlässigen Materialien im Weg des Signals. Bei der MIOTY-Technologie reicht es, wenn die Hälfte der Subpakete ankommt, um die Nachricht richtig zu erkennen. Die Intelligenz liegt dann auch im Empfänger und der speziellen MIOTY-Software des Fraunhofer IIS. Dies wird auch als Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) bezeichnet. Dadurch ist es möglich, dass der Empfänger gezielt nach den einzelnen Subpaketen sucht, diese erkennt und dann die komplett ankommenden Nachrichten wieder zusammensetzt.

Beispiel: Pipeline-Überwachung

Der Sprit hat mal wieder einen Preis-Peak erreicht und Autofahren ist so teuer wie nie. Das Öl dafür kommt in Deutschland größtenteils aus Russland. Es muss also über Tausende Kilometer per Pipeline transportiert werden. Da die MIOTY-Technologie einen Frequenzbereich von unter 1 GHz nutzt, ist es auch für lange Distanzen geeignet. durch Sensoren mit langer Batterielebensdauer können permanent durchfluss und Temperatur der Rohre gemessen werden, was manuell niemals geleistet werden könnte. Fließt das Öl nicht wie es soll, kann das beispielsweise an einem beschädigten Rohr liegen. Solche Schäden können dadurch früh erkannt oder sogar vermieden werden. Das spart Wartungs- sowie Reparaturkosten und kann Lieferengpässe vermeiden, die den Preis oft nach oben treiben. Aber zugegeben: Ausgetauscht werden müssen die Batterien trotzdem irgendwann – oder man nutzt Energy Harvesting.

Energiegewinnung durch Vorhandenes

Fast überall in der Umwelt gibt es Bewegungen, Licht- oder Temperaturunterschiede. Mit Energy Harvesting kann man diese vorhandenen Energiemengen nutzen, um daraus elektrischen Strom zu erzeugen. Das Fraunhofer IIS hat sich darauf spezialisiert, schon kleinste Bewegungen oder minimale Temperaturunterschiede nutzbar zu machen, um genügend Energie für die Sensordatenerfassung und Kommunikation zu gewinnen. Geringste Beschleunigungen von gerade einmal 0,1 g bei 60 Hz führen zu einer Leistungsausbeute von bis zu 1 mW und Temperaturdifferenzen von weniger als 3 Kelvin erzeugen 0,1 mW. Durch die am Fraunhofer IIS entwickelten Spannungswandler lassen sich solche kleinen Mengen an Umgebungsenergie effizient umwandeln und nutzen.

Wie verändert sich der öffentliche Verkehr?

Auch im öffentlichen Nah- und Fernverkehr können Sensoren mit Energy Harvesting versorgt werden. Durch die Vibrationen der Schienen, wenn ein Zug vorbeifährt, kann elektrische Energie gewonnen werden. Dazu werden piezoelektrische Materialien genutzt, die durch die Bewegung verformt werden und darauf mit einer Verschiebung interner Ladungsträger reagieren. Diese Ladungstrennung kann als elektrischer Strom nutzbar gemacht werden. Mit Hilfe von extrem stromsparenden Energie­management-Schaltkreisen werden diese kleinen Strompulse gespeichert und für kommerzielle Elektronik wie Sensoren und Funksender nutzbar gemacht. Somit können dann beispielsweise wartungsfreie, batterielose Geräte realisiert werden, die detektieren, wenn ein Zug in den Bahnhof einfährt.

Smart Building mit Energy Harvesting

Auch in Gebäuden können wichtige Umgebungsdaten wie Temperatur, Luftverhältnisse oder gefährliche Gase mit IoT-Sensoren ermittelt und per MIOTY-Kommunikation übertragen werden. So kann man sich daheim wohler fühlen und das Gebäude wird z. B. vor Schimmel geschützt. Mit den Energy-Harvesting-Technologien von Fraunhofer IIS wird eine autarke Energieversorgung der vielen benötigten Sensoren sichergestellt. In ein kompaktes Gehäuse integriert, nutzt BlueTEG die Temperaturdifferenz zwischen warmen oder kalten Gegenständen und der Umgebung, um daraus Energie zu gewinnen – beispielsweise von Heizungsrohren und deren Umgebung. Genutzt wird hierzu der sogenannte Seebeck-Effekt: Zwischen zwei Kontaktstellen der Leiterenden mit unterschiedlicher Temperatur tritt eine elektrische Spannung auf, aus der ein entsprechender Strom abgeleitet werden kann.

Smart Everything wird schon bald kommen

Vereinzelte Anwendungen sind schon in unserem Leben angekommen. Zum Beispiel gibt es bereits Start-ups, die Apps zur Parkplatzsuche anbieten oder eine automatische Übermittlung von Strom- und Wasserverbrauchsdaten. Bis jetzt sind das aber nur Piolotprojekte, um zu beweisen, dass die Smart City nicht nur Science-Fiction ist.

Glossar:

LPWAN: Ist die Abkürzung für Low Power Wide Area Network. Diese Netzwerke können mit wenig Energie sehr weite Strecken abdecken.
Das MIOTY-System hat eine Bat­terielaufzeit von bis zu 20 Jahren ­
und kann Strecken von 15 km im flachen Gelände und 5 km in städtischen Zentren abdecken. Der Unterschied kommt durch wesentlich mehr Störfaktoren im Stadtumfeld zustande.
Funkfrequenzen im Sub-GHz Bereich: In diesem Frequenzbereich sendet die MIOTY-Technologie. In diesem Bereich gibt es keine Lizenzierungen wie in anderen Funkfrequenzbereichen, die man nur gegen eine Gebühr nutzen darf. Dies hat aber zur Folge, dass viel mehr Systeme diesen Frequenzbereich nutzen. Dadurch kommt es zu Interferenzen, die dann das ursprüngliche Signal verfälschen.
Energy Harvesting: Nutzt Energie aus der Umwelt wie Wärme, Licht oder Bewegung, um damit kleine elektronische Geräte zu versorgen. Energy Harvesting macht Kabel zur Stromversorgung oder das Nachladen von Batterien in mobilen Geräten überflüssig. Vibrationen an Geräten, Maschinen oder Bauwerken oder Temperaturunterschiede zwischen Rohren, Leitungen, Heizkörpern oder Ventilen und der Umgebung können genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese elektrische Energie kann direkt zur Versorgung von kleinen elektronischen Systemen genutzt werden.
Seebeck-Effekt: Der Seebeck-Effekt wird bei der Energiegewinnung aus Temperaturdifferenzen genutzt. Hierbei fließt ein elektrischer Strom zwischen den Kontaktstellen zweier elektrischer Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur haben. Da ­­die Spannungen, die durch den Seebeck-Effekt erzeugt werden, extrem klein sind (wenige Mikrovolt pro Grad Temperaturunterschied), forscht das Fraunhofer IIS seit einigen Jahren daran, kleinste Spannungen und Energiemengen durch elektrische Schaltungstechnik nutzbar zu machen und den Energiebedarf von elektrischen Systemen zu verringern.