Wenig Energieverbrauch - hohe Leistung LPWAN-Technik spart Energie im IIoT

Torsten Krieger, Krieger MIS: »Bei Betrachtung aller Fakten wird LoRaWAN zu einem ‚Allrounder‘ und zum Favoriten für viele Anwendungsszenarien.«
Torsten Krieger, Krieger MIS: »Bei Betrachtung aller Fakten wird LoRaWAN zu einem ‚Allrounder‘ und zum Favoriten für viele Anwendungsszenarien.«

Die von Sensoren erfassten Messdaten per Mobilfunk in die Cloud zu senden, erfordert viel Energie. LPWAN-Systeme wie LoRaWAN, Sigfox oder NB-IoT als Niedrigenergie-Funktechniken schaffen hier Abhilfe und erschließen dem IIoT neue Anwendungen und Geschäftsmodelle.

Während beim IoT (Internet of Things) private Anwender und Verbraucher im Mittelpunkt des Geschehens stehen, sind es beim IIoT (Industrial Internet of Things) industrielle Abläufe und Prozesse. Zu den Zielen des IIoT gehört es, die betriebliche Effizienz zu steigern und dadurch die Kosten zu senken. Mittels des IIoT lassen sich neue Geschäftsmodelle realisieren oder bereits vorhandene Prozesse optimieren.

Die Grundidee hinter dem IIoT ist keineswegs neu: »Ein Sensor erfasst Messwerte wie etwa den aktuellen Füllstand eines Wasserbehälters und überträgt sie mittels einer Internet-Verbindung an eine räumlich weit entfernte Datenverarbeitungseinheit«, erläutert Torsten Krieger, Geschäftsführer des Embedded-System- und IoT-Dienstleisters Krieger MIS. »Dort werden die Daten analysiert und gegebenenfalls Steuerungsmaßnahmen eingeleitet - etwa das Nachfüllen des Wasserbehälters, von einem Wartungstechniker veranlasst.« Im Wesentlichen gehe es also bei jeder Art von IoT darum, anhand dezentral erfasster Messwerte ein virtuelles Abbild der realen physischen Welt zu bekommen. Dies ermögliche dann die zentrale Überwachung und Steuerung von Maschinen, Anlagen und Prozessen in der Infrastruktur ebenso wie in der Industrie.

Energieprobleme herkömmlicher IIoT-Netzwerke

Eines der Hauptprobleme der bisherigen IIoT-Netzwerke ist der hohe Energiebedarf für die Erfassung und Übertragung der Messdaten. »Dies führt besonders bei dezentralen und energieautarken Systemen zu Problemen, denn hier müssen Sensortechnik und Datentransfer meist mit begrenzten Batterie- und Akku-Kapazitäten realisiert werden«, sagt Torsten Krieger. »Verstärkt wird dieser Engpass noch durch die stetig steigenden Ansprüche an die Quantität der zu erfassenden Daten. Je genauer und granularer das digitale Abbild der Realität werden soll, desto höher steigt auch der Energiebedarf.« Diese Situation münde aktuell direkt in der Einführung neuer, Energie sparender Funktechniken wie etwa LoRaWAN, Sigfox oder NB-IoT.

Niedrigenergie-Funksysteme (LPWAN)

Während bei bisherigen IIoT-Netzwerken meist auf energieintensive Mobilfunktechnik mit 2G-, 3G- oder 4G-LTE-Standard gesetzt wird, beruht der neue Ansatz vor allem auf Niedrigenergie-Funksystemen zur Datenübertragung bis zu einem lokalen Internet-Gateway. Das Gateway selbst ist wesentlich einfacher mit Strom zu versorgen als die einzelnen Devices und Sensoren. »Der Energiebedarf eines Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWAN) liegt oft um den Faktor 10 unter dem eines mit herkömmlichem Mobilfunkstandard betriebenen Netzes«, führt Torsten Krieger aus. »Dies hebt die Wirtschaftlichkeit von IIoT-Anwendungen auf eine neue Stufe.«

Der Weg der Messdaten im Niedrigenergie-IIoT-Netzwerk ist folgender: Der Sensor erfasst die Daten und sendet sie mittels LPWAN an ein Gateway als lokalen Internet-Zugang (bei NB-IoT erfolgt dies über das Mobilfunknetz direkt zur Cloud). Über das Internet gelangen die Daten dann an eine entfernte Cloud-Plattform, wo sie letztlich verarbeitet werden.

Die Kommunikation wird bei LPWAN von den IoT-Devices eingeleitet. Üblicherweise sendet das IoT-Device Daten an die Basisstationen und wartet gegebenenfalls kurz auf eine Empfangsbestätigung, um danach wieder in einen Ruhemodus zu verfallen.

Beispiele für IIoT mittels LPWAN

Neben den bekannten Anwendungen wie Smart City und Smart Home ermöglichen LPWAN-Techniken neue und vertiefte Anwendungsfelder für das IIoT. Ein Beispiel ist die Überwachung und Positionsbestimmung von Gütern (Asset Management). Dabei wird nicht nur der aktuelle Aufenthaltsort von Transportfahrzeugen und Containern getrackt, sondern auch der von Paletten, Transportbehältern oder den einzelnen Wirtschaftsgütern selbst. Ein weiteres Beispiel sind Wertstofftonnen: Statt einer planmäßigen, vorsorglichen Leerung werden sie nur bei tatsächlichem Bedarf geleert. Die Bedarfsmeldung stammt dabei vom Wertstoffbehälter selbst. »Außerdem gestatten LPWAN eine Zustandsüberwachung großer Industrieanlagen nicht nur auf der Ebene von Maschinen und Anlagen, sondern auch auf der Ebene von Baugruppen oder Bauteilen«, verdeutlicht Torsten Krieger. »Damit lassen sich nötige Wartungsintervalle besser vorhersagen - Predictive Maintenance lautet hier das Stichwort.«