In Industrie, Logistik und Smart Cities
Embedded-LPWAN-Technologien für Asset Tracking
Für Asset Tracking and Monitoring bieten sich LPWAN-Technologien wie LoRaWAN, NB-IoT und mioty an, wobei die drei Standards je nach Anwendung spezifische Stärken haben. STMicroelectronics bietet Mikrocontroller, Embedded-Boards und -Module sowie Starterkits für alle drei an.
Asset Tracking ist ein rasant wachsender Markt, der eine Vielzahl von Anwendungsgebieten umfasst. Wenn wir diese Anwendungsfälle nach Komplexität klassifizieren, beginnen wir mit einfachen, oft Einmal-Szenarien wie der Verfolgung von Paketen und Sendungen, bei denen das Hauptziel darin besteht, Versandpunkte zu identifizieren und zu dokumentieren. In diesen Fällen reicht häufig eine eindeutige Etikettenkennung – etwa ein Barcode, ein QR-Code oder ein passiver NFC-Tag – aus, um festzuhalten, wann und wo ein Paket entlang der Logistikkette gescannt wird.
Eine fortgeschrittenere Kategorie umfasst Waren mit Garantie, bei denen Produktqualität und Sicherheit während des gesamten Transports erhalten bleiben müssen. Typische Beispiele sind Kühlkettenlogistik, Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln und medizinische Güter, die einen temperaturkontrollierten Transport erfordern. Hier ist es wichtig, nicht nur den Standort zu verfolgen, sondern auch mehrere Umgebungsparameter zu überwachen und in einigen Fällen unnormale Bewegungen oder Handhabungen während des Transports zu erkennen.
In der Lagerlogistik werden Waren meist auf Paletten zusammengefasst, bevor sie an ihren endgültigen Bestimmungsort, oft ins Ausland, versendet werden. Daher ist es unerlässlich, den Status und die Bedingungen jeder Palette sowohl während der Lagerung als auch während des gesamten Versandprozesses zu verfolgen.
Für die Indoor-Ortung können Real-Time Location Systems (RTLS) industrielle Tools, Utensilien oder Flughafengepäck mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern verfolgen und dadurch präzises Asset Management und Prozessoptimierung ermöglichen.
Die Outdoor-Echtzeitüberwachung erweitert das Asset Tracking auf Schiffscontainer, Flottenmanagement, Smart Farming und Mobility-Sharing-Szenarien. Typische Beispiele sind die Verfolgung von Position und Zustand von Nutztieren, Haustieren und anderen Tieren sowie von Shared-Mobility-Objekten wie E-Cars und E-Bikes in Smart-City-Umgebungen.
Über all diese Anwendungen hinweg entsteht ein erheblicher Mehrwert durch die Kombination von Bewegungs- und Umweltsensoren, Mikrocontrollern mit extrem niedrigem Stromverbrauch, GNSS für die Outdoor-Positionierung und einer breiten Palette von Verbindungsoptionen, von Short-Range-Kommunikation (NFC, BLE, Wi‑Fi und mehr) bis hin zur Langstreckenkommunikation.
Connectivity ist daher ein zentraler Punkt für Asset Tracking and Monitoring, und LPWAN-Technologien (Low-Power Wide-Area Network) spielen dabei eine entscheidende Rolle. Unter den heutzutage verfügbaren LPWAN-Optionen gelten Long-Range Wide-Area Network (LoRaWAN), mioty – kurz für »My Internet of Things« – und Narrowband IoT (NB-IoT) weithin als die am besten geeigneten Verbindungslösungen für Asset Tracking und Monitoring, weil sie geringen Stromverbrauch, große Reichweite und sichere Verbindungen bieten.
LoRa und LoRaWAN
LoRaWAN ist eine LPWAN-Technologie für IoT, die weit verbreitet ist, um eine große Anzahl von Sensoren und Aktoren für Anwendungen wie Umweltüberwachung, Smart Metering, Infrastrukturüberwachung und Asset Tracking zu verbinden. Ihr Hauptvorteil ist die drahtlose Kommunikation über große Entfernungen bei sehr geringem Energieverbrauch, wodurch batteriebetriebene Geräte jahrelang betrieben werden können.
Die physikalische Schicht verwendet LoRa, eine von Semtech patentierte Modulation auf Basis von Chirp Spread Spectrum (CSS). Durch das zeitliche Ändern der Frequenz verbessert LoRa die Robustheit gegenüber Störungen im Vergleich zu FSK erheblich, ermöglicht zuverlässige Verbindungen bei sehr geringer Sendeleistung und verlängert die Batterielaufzeit, selbst in dicht belegten HF-Umgebungen.
LoRaWAN, definiert von der LoRa Alliance, spezifiziert das offene Protokoll und die Systemarchitektur für große LoRa-Netzwerke. Es bietet typischerweise eine Reichweite von bis zu etwa 15 km in ländlichen Gebieten und mehrere Kilometer in städtischen oder industriellen Umgebungen und verwendet eine »Star-of-Stars«-Topologie, bei der Endgeräte mit einem oder mehreren Gateways kommunizieren, die Daten an LoRa Network Server weiterleiten.
Die Zuverlässigkeit wird durch Listen Before Talk (LBT), Frequenzsprungverfahren und Adaptive Data Rate verbessert, wodurch ein effizienter Betrieb mit Tausenden von Geräten im selben Spektrum möglich wird. Die Sicherheit ist integriert durch AES-128-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und gegenseitige Authentifizierung bei der Aktivierung. Als offener, weithin unterstützter Standard skaliert LoRaWAN auf Millionen von Geräten und unterstützt sowohl öffentliche als auch private Netzwerke, was Abdeckung und Gesamtbetriebskosten optimiert.
STMicroelectronics bietet ein umfassendes Portfolio von Endknotenlösungen für LoRa-Anwendungen, einschließlich Sensoren, Prozessoren und HF-Kommunikationslösungen. Der STM32WL5 ist einer der ersten drahtlosen Mikrocontroller, der einen LoRa-Transceiver auf einem einzigen Chip integriert und damit eine hochintegrierte Alternative zu traditionellen diskreten Designs bietet. STMicroelectronics bietet mehrere Evaluierungsboards auf Basis des STM32WL5 an, darunter das X-NUCLEO-WL55JC1 für LoRaWAN-Kommunikation. Auf Grundlage dieser Plattform hat ST kürzlich ein batterieloses LPWAN-Energy-Harvesting-Knoten-Modul eingeführt, das STEVAL-HARVEST1, wobei sowohl innen als auch außen verfügbare Solarenergie genutzt wird. Das Board integriert einen Energiespeicherkondensator, sodass das System als vollständig autarke Stromversorgung für Sensorknoten fungieren und ohne Batterie über LoRaWAN kommunizieren kann. (Bild 1 oben)
Zusammen mit dem NUCLEO-WL55 bildet das STEVAL-HARVEST1 einen batterielosen Knoten, der vollständig von Solarenergie versorgt wird. Die vom Solarpanel des STEVAL-HARVEST1 geerntete Energie wird in Keramikkondensatoren gespeichert, während der STM32-Mikrocontroller im stromsparenden STOP-Modus bleibt und die Kondensatorspannung kontinuierlich über den Programmable Voltage Detector (PVD) überwacht. Diese Architektur eignet sich sowohl für Innen- als auch für Außeneinsätze.
Wenn die Kondensatoren die erforderliche Spannung erreichen, wacht der Mikrocontroller auf und liest die On-Board-Sensoren aus, darunter den Temperatursensor STTS22H, den 3-Achsen-Beschleunigungssensor LIS2DU12, den Infrarot-Präsenz- und -Bewegungsmelder STHS34PF80 sowie den Feuchtigkeits- und Temperatursensor SHT40.
Die erfassten Umwelt- und Bewegungsdaten werden anschließend als LoRaWAN-Paket vom NUCLEO-WL55JC1 übertragen und von einem LoRa-Gateway empfangen, was eine Langstreckenkommunikation mit geringem Stromverbrauch und einem vollständig solarenergieversorgten Knoten ermöglicht.
Darüber hinaus bietet ST eine AWS-basierte Softwarelösung, DSH-PREDMNT, zur Vereinfachung von Gerätebereitstellung, Datenprotokollierung, Datenvisualisierung und cloudbasiertem Asset Monitoring jederzeit und überall.
Mioty
Mioty ist eine hochrobuste standardisierte LPWAN-Technologie, entwickelt von Fraunhofer IIS, ETSI TS 103 357, die zuverlässige Langstreckenkommunikation von bis zu 20 km (Sichtverbindung) mit hervorragenden Ausbreitungseigenschaften bietet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen HF-Technologien verwendet mioty TSMA (Telegram Splitting Multiple Access), ein Verfahren, das jede Nachricht in viele kleine Teilpakete aufteilt und diese auf verschiedenen Frequenzen und zu unterschiedlichen Zeiten sendet. Selbst wenn bis zu 50 Prozent dieser Teilpakete aufgrund von Störungen oder Kollisionen in dichten Industrieumgebungen verloren gehen, lässt sich die ursprüngliche Nachricht dennoch vollständig rekonstruieren. Dies führt zu außergewöhnlicher Robustheit und sehr geringem Stromverbrauch.
Dank TSMA ist mioty sehr störresistent und eignet sich daher besonders für metallreiche Industriestandorte, Logistikzentren und andere komplexe Einrichtungen, in denen Tausende von Assets verfolgt werden müssen. In Asset-Tracking-Anwendungen bietet mioty mehrere Vorteile gegenüber anderen LPWAN- und HF-Technologien, wie hohe Gerätedichte für zehntausende Tracker pro Netzwerk, deterministische Leistung in störbehafteten HF-Umgebungen, tiefe Indoor- und teilweise Untergrund-Abdeckung, mehrjährige Batterielaufzeit für Tags sowie skalierbare Ortungsgenauigkeit, die auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen zugeschnitten ist. Mioty ist außerdem für Mobilität optimiert und unterstützt die zuverlässige Verfolgung schnell beweglicher Objekte, sodass Asset-Tracking-Anwendungen für Fahrzeuge und Ausrüstung mit Geschwindigkeiten von bis zu 120 km/h möglich sind. (Bild 2)
Bild 2: Durch die Verwendung eines mioty-Stacks von ST Authorized Partners können Kunden die SoC-Plattform STM32WL3x vollständig nutzen.
Durch die Verwendung eines mioty-Stacks von ST Authorized Partners können Kunden die SoC-Plattform STM32WL3x vollständig nutzen. Dieser auf das Sub-GHz-Spektrum optimierte und vollständig mit dem mioty-Protokoll kompatible Stack wurde entwickelt, um die Entwicklung robuster, stromsparender drahtloser Anwendungen zu beschleunigen, besonders mit Fokus auf skalierbare, industrietaugliche Asset-Tracking-Lösungen.
NB-IoT
NB-IoT (Narrowband Internet of Things) ist heutzutage eine der vielversprechendsten LPWAN-Technologien und bietet Langstrecken-Connectivity bei sehr geringem Stromverbrauch. Sie arbeitet über bestehende zellulare Infrastruktur in LTE-Bändern, was bedeutet, dass sie unmittelbar von der großen Abdeckung, Zuverlässigkeit und Reife der eingesetzten Mobilfunknetze profitieren kann. Die Wiederverwendung dieser Infrastruktur vereinfacht die Bereitstellung erheblich und beschleunigt großflächige Einführungen.
Aus technischer Sicht ist eine der Hauptstärken von NB-IoT die Funkschnittstelle. Sie beruht auf OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und verwendet Modulationsverfahren wie QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) und BPSK (Binary Phase Shift Keying). Diese Multiträgerverfahren sind äußerst robust gegen Störungen, eine der zentralen Herausforderungen in der drahtlosen Kommunikation. Dadurch ermöglicht NB-IoT eine zuverlässige und effiziente Datenübertragung über große Entfernungen und sogar tief im Gebäudeinneren, ohne hohe Sendeleistung zu erfordern, was für batteriebetriebene IoT-Funkgeräte essenziell ist.
NB-IoT unterstützt außerdem IP-basierte Connectivity, einschließlich IPv4 und IPv6. Die native IPv6-Unterstützung ermöglicht jedem Gerät eine eindeutige IP-Adresse und vereinfacht Routing, Management und Integration in bestehende IT- und Cloud-Infrastrukturen. Diese Fähigkeit ist besonders wichtig, um die sehr große Anzahl von Geräten zu bewältigen, die in großen IoT-Implementierungen erwartet wird.
Sicherheit ist eine kritische Anforderung im IoT, und NB-IoT nutzt das bewährte Sicherheitsframework zellularer Netze. Es verwendet starke Verschlüsselungs- und Authentifizierungs-Mechanismen, die mit denen von Mobiltelefonen vergleichbar sind.
Mit einer bis zu 256-Bit-Verschlüsselung gemäß 3GPP trägt NB-IoT dazu bei, dass über das Netzwerk übertragene Daten vertraulich und manipulationssicher bleiben und damit sowohl Integrität als auch Vertraulichkeit gewahrt werden, die im IoT entscheidend sind.
Die globale GSMA-Mobilfunkinfrastruktur ist ein weiterer wichtiger Punkt für den Erfolg von NB-IoT. Sie bietet weltweite Abdeckung und ein standardisiertes Ecosystem, das die Interoperabilität zwischen Geräten, Modulen und Netzen verschiedener Hersteller und Betreiber unterstützt. Diese Standardisierung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass NB-IoT-Geräte nahtlos über Regionen und IoT-Dienstanbieter hinweg betrieben werden können.
Schließlich bietet NB-IoT ein sehr attraktives Kostenmodell für den Rollout. Weil bestehende 4G/5G-Mobilfunkinfrastrukturen wiederverwendet werden, ist es nicht notwendig, neue Basisstationen aufzubauen oder in spezielle Netzwerkhardware zu investieren. Dies senkt die Anfangsinvestitionen für Unternehmen und öffentliche Einrichtungen erheblich, die IoT-Lösungen implementieren wollen, und macht NB-IoT zu einer wirtschaftlichen und skalierbaren Wahl für Anwendungen wie Asset Tracking, Smart Metering, Umweltüberwachung und Fernerkundung.
ST87M01: Kompaktes, stromsparendes NB-IoT-Modul mit optionalem GNSS und Wi‑Fi
STMicroelectronics bietet eine interessante NB-IoT-Lösung auf Modulbasis an. Das ST87M01 ist ein schlüsselfertiges, 3GPP-Rel.15-zertifiziertes, besonders kompaktes LTE-Cat-NB2-NB-IoT-Modul. Es integriert Protokollstacks wie IPv4/v6, TCP/UDP, CoAP/LWM2M, MQTT, HTTP/HTTPS und DTLS und bietet außerdem Positionierungsfunktionen für IoT-Knoten sowohl in Innen- als auch in Außenumgebungen. Mit dem optional integrierten GNSS-Empfänger kann das Gerät Außenpositionen mithilfe von Satellitennavigationssystemen erfassen. Ergänzend dazu ermöglicht die Wi‑Fi-Ortungsfunktion eine Indoor-Positionierung durch Erkennung und Nutzung nahegelegener Wi‑Fi-Zugangspunkte. Durch die Kombination von GNSS für die Außenortung und Wi‑Fi-Positionierung für Indoor-Szenarien ermöglicht das ST87M01 Entwicklern, kontinuierliche, ortsbezogene IoT-Anwendungen ohne zusätzliche externe Positionierungskomponenten zu implementieren.
Als zusätzliche Funktion bietet ST87 A/D-Wandler-Eingänge zur Überwachung des Stromverbrauchs des ST87M01 (während der NB-IoT-Kommunikation), der internen Temperatur, der Batteriespannung und anderer Sensoranwendungen in der Kundenapplikation. (Bild 3)
Bild 3: Das kompakte, batteriebetriebene NB-IoT-Referenzdesign STEVAL-NBIOTV1 ist optimiert für Asset Tracking und Smart-City-Anwendungen.
Es gibt mehrere Evaluierungsplattformen für das ST87M01 - und darüber hinaus das kompakte, batteriebetriebene NB-IoT-Referenzdesign STEVAL-NBIOTV1, optimiert für Asset Tracking und Smart-City-Anwendungen. Basierend auf dem ST87M01-Modul und dem STM32U5-Mikrocontroller, der mittels AT-Befehlen (Attention Commands) kommuniziert, bietet es stromsparende multimodale Connectivity mit NB-IoT, GNSS und optionaler Wi‑Fi-Positionierung. Das Board enthält PCB-Antennen, optimiert für die LTE-Bänder 3, 8 und 20, sowie eine IGNION-Chip-Antenne für GPS, um eine zuverlässige Outdoor-Positionierung zu ermöglichen.
Ein umfangreiches Sensorset ist on-board integriert, darunter der stromsparende 3-Achsen-Smart-Beschleunigungssensor LIS2DUXS12, der LPS22DF-Low-Power-Hochpräzisions-MEMS-Nanodrucksensor (260–1260 hPa absolutes digitales Barometer) sowie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren von Sensirion zur Überwachung der Umgebungsbedingungen. Ein 32-Mbit-SPI-EEPROM unterstützt die lokale Datenerfassung, während ein 34-poliger Erweiterungsanschluss die flexible Systemerweiterung ermöglicht. Auf der Unterseite des Boards befindet sich ein nano-SIM-Kartenslot.
Mehrere Kommunikationsschnittstellen (UART, I²C, SPI), effizientes Energiemanagement und lokale Datenspeicherung unterstützen die schnelle Entwicklung stromsparender IoT-Anwendungen ohne externe Zusatzmodule. Beispielanwendungscode wird bereitgestellt, um Entwicklungszyklen zu verkürzen und die Markteinführungszeit zu beschleunigen.
Der Knoten ist außerdem mit dem DSH-ASSETRACKING-Cloud-Dashboard kompatibel, um eine einfache Konfiguration und Echtzeitüberwachung zu ermöglichen.
Fazit
Die LPWAN-Technologien LoRaWAN, NB-IoT und mioty sind die vielversprechendsten Kommunikationstechnologien für Asset-Tracking- und Monitoring-Anwendungen, und ST bietet die passenden Technologien, Produkte und Lösungen, die die Entwicklung und Bereitstellung von LoRa-, mioty- und NB-IoT-Anwendungen vereinfachen. Darüber hinaus zeigt sich das Engagement von ST für den Aufbau eines »ready-to-go«-Ecosystems in der Zusammenarbeit mit Partnern, die sicherstellt, dass Kunden nicht nur Zugang zur Hardware haben, sondern auch zu Software, Tools und Community-Support, die notwendig sind, um ihre Smart-City-Lösungen schnell und effizient zum Leben zu erwecken.
Die Autoren
Filippo Colaianni
ist Technical Marketing Manager bei STMicroelectronics. Nach dem Erwerb eines Masterabschlusses in Ingenieurwissenschaften an der Universität Catania (Italien) im Jahr 2001 spezialisierte er sich fünf Jahre lang auf das Design digitaler ICs. Anschließend trat er bei STMicroelectronics als Field Application Engineer ein und konzentrierte sich mehr als acht Jahre lang auf Mikrocontroller- und Connectivity-Lösungen. Derzeit ist er Technischer Marketingmanager für die Gruppe System Research & Applications. Er ist verantwortlich für die Überwachung von Lösungen in den Bereichen Industrial IoT, Smart Cities, Home & Building Automation, Smart Agriculture und Asset Tracking. Filippo ist Experte für kabelgebundene und drahtlose Connectivity, Technologie- und Kommunikationsprotokolle, Arm-Cortex-MCUs und -MPUs sowie MEMS- und Sensorlösungen.
Michael Münkel
ist Technical Marketing Manager bei STMicroelectronics. Er treibt seit 1999 technisches Marketing bei STMicroelectronics voran und schlägt die Brücke zwischen technischer Innovation und Marktnachfrage. Michael konzentriert sich auf das Wachstum in anspruchsvollen Segmenten wie Smart Metering und IoT-Anwendungen.