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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Funktechnologie im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0: Langjähriger, wartungsfreier Betrieb funkbasierter Sensoren (3)

Die Infrastruktur des Internets der Dinge wird ein hybrider Technologiemix sein, der energiesparend, zuverlässig und sicher sein muss. Ein energieautarkes Sensorsystem lädt seinen Energiespeicher stets bei verfügbarer Umgebungsenergie auf und stellt diese nur bedarfsweise der verbrauchs-
optimierten Messelektronik und Funkschnittstelle zur Verfügung. Dem Wachstum von IoT-Anwendungen werden in den nächsten Jahren enorme Steigerungen prognostiziert.

Energy Harvesting und das Internet der Dinge (IoT) bedingen sich gegenseitig (Bild: K. Jungk/ep)

Das Statistik-Portal Statista [1] erwartet bereits im Jahr 2020 25 Milliarden vernetzter Geräte weltweit. Rein rechnerisch sind das bei einer dann prognostizierten Weltbevölkerung von etwa 7,8 Milliarden Menschen 3,2 vernetzte Geräte pro Person. Die Analysten des US-Marktforschers Gartner rechnen ebenfalls mit 25 Milliarden vernetzter Dinge, ohne Berücksichtigung von Smartphones, Tablets und PCs. Der Netzwerkausrüster Cisco [2] erwartet sogar, dass in zwei Jahren 50 Milliarden „Dinge“ über das Internet vernetzt sein werden. Aber gleichgültig, ob überschwängliche oder verhaltene Voraussagen eintreffen werden – ein gewaltiger Wachstumsmarkt in den Kategorien Consumer, Industrie und Business ist im Begriff zu entstehen. Dabei ist die Vielfalt der Anwendungen und daraus resultierender Geschäftsmodelle unerschöpflich und heute nicht annähernd zu überschauen.

Megatrend Konnektivität

IoT-Anwendungen mit Fernzugriff können heute auf einer Vielzahl von Funktechnologien aufsetzen. Allen gemeinsam ist ein geringer Energieverbrauch zur Realisierung möglichst langer Batterielaufzeiten.

Der Mobilfunk als sichere und abdeckungsstarke Option ist inzwischen durch LTE-M für LPWA-IoT-Anwendungen fit gemacht worden. LPWA [3] ist die Abkürzung für Low Power Wide Area (niedriger Energieverbrauch – große Reichweite), einer Technologie, welche die kosten-, energie- und bandbreitesparenden Verbindung vieler Endpunkte über große Distanzen ermöglicht. Proprietäre Ansätze wie Sigfox [3] und LoRa [3] verfolgen bereits in ihren Ansätzen diese Ziele.

Ob ein Angebot und welches den Markt dominieren wird, ist schwer abzusehen. Wahrscheinlich ist eher das komplementäre Zusammenwirken unterschiedlicher Infrastrukturkonzepte:

  • Glasfaser,
  • Satellit,
  • LTE (4G),
  • 5G,
  • lizenzierte und lizenzfreie Technologien,
  • WiFi,
  • Höchstfrequenzkleinzellennetze (24 GHz), usw.

Damit lässt sich der massiv zunehmende Bedarf an Flexibilität durch Optimierung von

  • Konvergenz,
  • Bandbreite,
  • Reichweite,
  • Abdeckung,
  • Mobilität,
  • Dichte,
  • Verfügbarkeit,
  • Realisierungsdauer,
  • Latenz,
  • Energieverbrauch und
  • Kosten

abdecken. Die erforderlichen Gateways zur Protokollumsetzung und Anpassung an die jeweiligen Übertragungsmedien sind technisch kein Problem und werden durch entsprechende ebenfalls stromsparende Halbleiterchips kostengünstig realisierbar.

Energy Harvesting

Man kann sich vorstellen, dass bei zig Milliarden batteriegespeister IoT-Endgeräte trotz Batteriewechselintervallen von 10 Jahren, ein erheblicher Aufwand eben dafür entsteht. Bei 50 Milliarden solcher „Dinge“ müssten täglich immerhin 1,37 Millionen Batteriewechsel stattfinden [4]. Die damit verbundenen Arbeitskosten sind meist höher, als die Batteriekosten selbst. Versäumt man den Austausch der Batterien, kann das mit mehr oder weniger gravierenden Folgen verbunden sein. Sicherer und nachhaltiger ist es, die „Dinge“ dauerhaft mit Energie zu betreiben, die aus deren Umfeld durch Energy Harvesting [5] (Energie ernten) gewonnen werden (Bild 1).

Dazu stehen Bewegungsenergie (Tastendruck, Vibrationen, Magnetfelder, Schall, …), Licht und Thermoelektrizität zur Verfügung. Nicht zuletzt kann Energy Harvesting die IoT-Applikation zuverlässiger machen, denn die Energieerntevoraussetzungen sind meist zuverlässig vorhanden und lassen sich im Bedarfsfall miteinander kombinieren, z. B. Temperaturgradienten und Luftdruckschwankungen. Wesentlich ist, dass ein energieautarkes Sensorsystem seinen Energiespeicher stets bei verfügbarer Umgebungsenergie auflädt und der verbrauchsoptimierten Messelektronik und Funkschnittstelle nur bedarfsweise zur Verfügung stellt. In den Zeitintervallen zwischen diesen Verbrauchsabschnitten verfällt das System in einen extrem stromsparenden Tiefschlaf.

Der wegfallende Aufwand für Wartung und Austausch von Batterien (maintenance), die lokale Vorverarbeitung ermittelter Daten (edge processing) und deren Aggregation (Verdichtung) erlaubt die Erfassung an schwer zugänglichen Orten und Infrastrukturen. Intelligente Aggregationsknoten, wo die Daten gefiltert und aufbereitet werden, können den Energieaufwand für deren bedarfsweise Übermittlung minimieren und dadurch die Ernte der erforderlichen Energie erleichtern. Wesentlich ist, dass hier auch der Übergang von einer Übertragungstechnologie auf eine andere stattfindet. Im Ergebnis kann der Verfahrensmix die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems optimieren. Das gilt für alle „smarten“ Anwendungen wie u. a.

  • Smart City (Stadt),
  • Smart Building (Gebäude),
  • Smart Factory (Fabrik),
  • Smart Living (Leben),
  • Smart Traffic (Verkehr),
  • Smart Health (Gesundheit).

Safety first

Sicherheit hat im IoT höchste Priorität. Es muss jederzeit gewährleistet sein, dass die von den „Dingen“ ermittelten Daten auch nur den berechtigten Empfänger erreichen. Sichere Verschlüsselungen auf dem gesamten Übertragungspfad sind daher als Mittel gegen Missbrauch und Manipulation ein absolutes Muss. In diesem Zusammenhang kann die „Künstliche Intelligenz“ (AI: Artificial Intelligence) mit ihren lernfähigen Algorithmen eine entscheidende Rolle spielen, sowohl beim Steigern der Übertragungssicherheit als auch bei deren „Knacken“. Dabei kommt dem in einem spezifischen Anwendungsfall verwendeten Cloud-Modell eine wesentliche Aufgabe zu. Der Trend geht heute zur Public Cloud, in der sich Anwender dieselbe physikalische Infrastruktur teilen und dabei durch virtualisierte Sicherheitsmechanismen logisch voneinander getrennt sind.

Fazit

Das IoT wird bereits in der nahen Zukunft unser alltägliches Leben beeinflussen. Die zugehörige Infrastruktur muss ein hybrider Technologiemix sein, der energiesparend, zuverlässig und sicher ist.

  • Energy Harvesting,
  • Künstliche Intelligenz,
  • Big-Data-Algorithmen,
  • Verschlüsselungstechnik und
  • ein wachsamer Blick auf kriminellen Missbrauch

sind Voraussetzungen für den Nutzen und die Akzeptanz in der Gesellschaft.

Autor: K. Jungk

Literatur:

[1] Statistik-Portal Statista: de.statista.com/infografik/2937/mit-dem-internet-of-things-verbundenen-geraete/.

[2] Blog des Netzwerkausrüsters Cisco: blogs.cisco.com/news/cisco-connections-counter.

[3] Jungk, K.: Funktechnologie im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0; Teil 2: Niedrigenergie-Weitbereichs-Netzwerke im Überblick. Elektropraktiker Berlin 72(2018)11, S. 982–985.

[4] Jungk, K.: Funktechnologie im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0; Teil 1: Einführung und Grundlagen der Funktechnik. Elektropraktiker Berlin 72(2018)11, S. 884–887.

[5] Jungk, K.: Energy Harvesting – Energie aus der Umwelt. Beitragsserie im Elektropraktiker.

[6] Teil 1: Micro Energy-Harvesting für Ultra-Low-Power-Elektronik – Piezoeffekt. Elektropraktiker Berlin 72(2018)1, S. 61–63.

[7] Teil 2: Thermoelektrische Generatoren – elektrische Energie aus Temperaturdifferenzen. Elektropraktiker Berlin 72(2018)2, S. 144–145.

[8] Teil 3: Thermoelektrische Generatoren – praktische Anwendungen. Elektropraktiker Berlin 72(2018)3, S. 252–253.

[9] Teil 4: Strahlungsenergie. Elektropraktiker Berlin 72(2018)4, S. 331–333.

[10] Teil 5: Magnetfeld-, Schall- und mechanische Energie. Elektropraktiker Berlin 72(2018)5, 
S. 412–413.

Der Artikel wurde unserem Facharchiv entnommen.

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