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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Funktechnologie im Zeitalter von IoT und Industrie 4.0: Niedrigenergie-Weitbereichs-Netzwerke im Überblick (2)

Weltweit sehen Analysten im „Internet der Dinge“ eine schnell wachsende, ersetzende innovative Technologie, die bereits im Jahre 2020 durch mehr als 20 Milliarden Sensoren in Maschinen, Geräten und Fahrzeugen eine Unmenge an Informationen verfügbar macht.

> Funknetze im Vergleich – Reichweite versus Stromverbrauch < LPWAN sind Funknetze mit niedrigem Energieverbrauch und großer Abdeckung. Damit sind sie die idealen IoT-Netze, wo es meistens um die gelegentliche Übertragung von Messwerten und Steuerbefehlen geht. (Bild: K. Jungk/ep)

 Diese werden sich nur mit den Algorithmen der künstlichen Intelligenz und Analysemethoden des „tiefen Lernens“ (deep learning) und Datenmanagements nutzen und beherrschen lassen.

Eine Vielzahl neuer Geschäftsmodelle wird unter teilweiser Verdrängung herkömmlicher aufkommen. Das Internet of Things (IoT) hat das Potential, die Effizienz und Nachhaltigkeit wirtschaftlicher Prozesse, von Mobilität, Ressourcenverbrauch, Umweltschutz, Sicherheit, im Sozialbereich, … neu zu definieren. Eine der wesentlichsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Entwicklung liegt in der sicheren Kommunikation mit den Sensoren als Nervenzellen der IoT-Gesellschaft. Sie wird aus Gründen der Flexibilität und Dynamik überwiegend drahtlos und batteriebetrieben erfolgen. Dabei sind die Funkverfahren so zu wählen, dass sie den Anforderungen in Bezug auf

  • Datenmengen,
  • Zugriffshäufigkeit,
  • Energieeffizienz für lange Batterielebensdauer,
  • Latenzzeiten,
  • Zuverlässigkeit,
  • Abdeckung und Sicherheit, usw.

optimal angepasst sind. Man kann sie unter dem Überbegriff LPWAN (Low Power Wide Area Network) zusammenfassen (Bild).

Hauptanforderungen 
an LPWA-Netze

Drei „C“ charakterisieren die Hauptanforderungen an IoT-LPWA-Netze:

1. Cost: Geringe Kosten für Geräte und Dienste.

2. Coverage:Große Reichweite und Flächenabdeckung.

3. Current: Lange Batterielebensdauer durch niedrige Stromaufnahme.

Ein LPWA-Gerät soll 10 Jahre lang ohne Batteriewechsel im Feld funktionieren, eine Entfernung von bis zu 10 km zur Basisstation überbrücken und weniger als 10 Byte/h übertragen. In einer Funkzelle sollen über 10 000 Geräte mit der Basisstation in Verbindung stehen können.

Grundsätzliches

Die direkte Funkkommunikation tausender Sensoren mit dem Anwender, der daraus seine Schlüsse zieht und Reaktionen ableitet, ist nur in Nahbereichsszenarien denkbar. Bei größeren Distanzen müssten die Sendeleistungen unzulässig hoch sein und die Frequenzressourcen wären schnell erschöpft. Die Topologie eines IoT-Netzes sieht deshalb ein Netz von Basisstationen (Konzentratoren) vor, die über kurze bis mittlere Distanzen in einer Funkzelle mit den Sensoren drahtlos und energiearm kommunizieren und den Datenverkehr über eine „Cloud“ (Wolke, z. B. das Internet) zum Anwendungsserver (Application Server) des Nutzers weiterleiten.

Sigfox

Sigfox ist ein im Jahre 2009 in Frankreich gegründeter LPWA-Netzanbieter [1]. Er stellt seine Dienstleistungen in lizenzfreien ISM-Bändern (ISM: Industrial Scientific and Medical, 868 MHz/915 MHz) in 45 Ländern und Regionen weltweit zur Verfügung. Geräte mit Sigfox-Technik können im hindernisfreien Funkfeld bis zu 50 km überbrücken, in bebauten Gebieten 3 bis 10 km. Sigfox-Geräte kommunizieren mit Sigfox-Basisstationen, welche die Daten an Sigfox-Server weiterleiten, wo sie aufbereitet und auf die Server oder Endgeräte des Kunden weitergeleitet werden. Sigfox betreibt somit eine eigene Cloud, SIM-Karten für die Nutzung herkömmlicher Mobilfunknetze sind nicht erforderlich. Sigfox erlaubt einem Endgerät, maximal 140 Mitteilungen pro Tag je 12 Byte abzusetzen. Jede Basisstation kann bis zu einer Million Objekte verwalten. In Europa nutzt Sigfox das 868-
MHz-ISM-Band. Die Sendeleistung der Sigfox-Module/Geräte beträgt 14 dBm (25 mW). Die Reichweite und Störsicherheit der Übertragung kann durch Antennen mit Richtwirkung vergrößert werden.

Die globale Abdeckung von Sigfox ist gegenwärtig noch sehr lückenhaft. Deshalb treibt das Unternehmen den globalen Rollout nachdrücklich voran, um die lokale Verfügbarkeit schnellstmöglich zu vergrößern. Für die vollständige Abdeckung von Frankreich und Deutschland sind etwa 2 500 Basisstationen erforderlich, über die sich demnach bis zu 2,5 Milliarden Objekte in das Sigfox-System einbinden lassen. Laut aktueller Sigfox-Homepage leben 908 Millionen Menschen im Sigfox-Abdeckungsbereich von 4 Millionen km2.

Im März 2018 hat Sigfox mit Satellitenbetreiber Eutelsat die Inbetriebnahme eines ELO (Eutelsat Low Earth Orbit for Objects) genannten Nano-Satelliten in 2019 vereinbart. Aus einer sonnensynchronen (polaren) Umlaufbahn in 500 bis 600 km Höhe wird ELO Daten von angebundenen Objekten sammeln und einmal täglich an die Bodenstation auf der norwegischen Insel Spitzbergen im Nordpolarmeer absetzen. So lassen sich Sensordaten aus allen Teilen der Erde, wo eine terrestrische Anbindung kaum möglich ist, sammeln und auswerten.

Sigfox ist kompatibel mit Bluetooth, GPS, Mobilfunk 2G/3G/4G und WiFi und versteht sich deshalb als komplementäre Technik. Das erlaubt, andere Konnektivitätslösungen mit Sigfox zu kombinieren, was die Zahl der möglichen Geschäftsmodelle und den Teilnehmernutzen drastisch steigert.

Autor: K. Jungk

Literatur:

[1] Information zu Sigfox in englischer Sprache unter www.sigfox.com.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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