IoT-Gateways für die sichere Stromversorgung Intelligente Gateway-Technologie für effizientes Energiemanagement

„Bisherige Gateway-Lösungen waren für eine zentrale Energieerzeugung ausgelegt“, erklärt Christian Lelonek, Geschäftsführer von IoTmaxx. „Das bedeutet, elektrische Energie wurde in beliebiger Menge von Kraftwerken erzeugt und über das Energienetz an die Verbraucher geliefert.“ Die Netzinfrastruktur war bis in die Ortsnetzstationen so ausgelegt, dass auch bei Spitzenverbrauch stets ausreichend Strom zur Verfügung stand. In dieser Situation war es lediglich erforderlich, zu messen und zu melden, ob der lokale Spitzenverbrauch angestiegen ist, um gegebenenfalls weitere Kapazitäten zu schaffen.

„Im Bereich der Ladetechnik war es so, dass zum Beispiel ein E-Fahrzeug vorgegeben hat, wie viel Energie benötigt wird, um die Batterie zu laden – und die Ladesäule war nur mit einer Internetverbindung zum Backend-System für die Zahlungsabwicklung ausgestattet“, so Lelonek weiter. „Das heißt, dieser zentrale Ansatz umfasste bislang eher unkomplizierte Aufgaben für klassische Router wie zum Beispiel unseren LAN/WAN-Router maxx RT2100 oder unseren LTE-4G-Mobilfunk-Router maxx RT2200.“

Komplexere Anforderungen in der Energieverteilung

Durch den zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energiequellen für die Bereiche Mobilität und Heizung sowie die Installation und Nutzung von lokalen Energiespeichern sind die technischen Anforderungen in der Energieverteilung deutlich komplexer geworden. Zudem sind Verfügbarkeiten und die Preise von elektrischer Energie starken Schwankungen unterworfen. Mit einem ausgeklügelten Energiemanagement haben Verbraucher die Möglichkeit, Strom effizienter zu nutzen und ein großes Einsparpotenzial auszuschöpfen.

Um den Energieverbrauch einer Anwendung zu überwachen und zu minimieren, müssen Daten aus unterschiedlichen Quellen gesammelt und ausgewertet werden. Einerseits muss der aktuelle Zustand eines Systems erfasst werden, zum Beispiel der Ladezustand eines Fahrzeugs oder eines Energiespeichers, andererseits sind Einflussfaktoren wie die Leistung einer Photovoltaik-Anlage, Wetterverhältnisse sowie Innen- oder Außentemperaturen zu berücksichtigen. Auf Basis dieser Daten können Bedarfsanalysen oder Prognosen für die nahe Zukunft erstellt werden, um das Laden und die Nutzung eines Fahrzeugs beispielsweise effizienter und wirtschaftlicher zu planen.

Aufgrund der Vielzahl erfasster relevanter Einflussgrößen entsteht jedoch auch ein erhebliches Datenvolumen für den Transfer in die Cloud. Mithilfe einer intelligenten lokalen Vorverarbeitung mit den frei programmierbaren Gateways von IoTmaxx lassen sich die Datenmengen deutlich reduzieren.

Schnittstellen für die Datenerfassung vor Ort

Die kompakten Gateways maxx GW4101 von IoTmaxx bieten bei der Datenerfassung vor Ort viele Vorteile. Die platzsparenden Geräte belegen lediglich 5 cm auf der Hutschiene. Der Zugang zum Internet kann wahlweise über das lokale Ethernet-Netzwerk oder das integrierte 4G-LTE-Modem erfolgen. Die Gateways mit Sensorboard-Erweiterung verfügen über vielfältige Schnittstellen für unterschiedliche Bussysteme wie Ethernet, CAN, RS232, RS485 sowie den Anschluss lokaler Sensorik wie 4-20mA-Sensoren, digitale I/Os oder PT100/1000 ausgestattet.

Damit können einerseits Zustandsdaten wie zum Beispiel Verbrauch, Ladezustand, Schaltzustände und Fehlermeldungen von der jeweiligen Anlage abgefragt und andererseits zusätzliche Sensordaten wie beispielsweise Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen erfasst werden.

Sichere Anbindung an Backend-Systeme

Die sichere Anbindung an die Cloud kann über die Gateways des Herstellers entweder mittels verschlüsselter Protokolle wie MQTT oder HTTPS oder über die unterstützten Tunnel-Technologien WireGuard, OpenVPN oder IPSec erfolgen. „WireGuard lässt sich besonders schnell und einfach konfigurieren und bietet einen hohen Sicherheitsstandard“, erklärt Lelonek. Da der VPN-Tunnel direkt vom Linux-Kernel unterstützt wird, ist er besonders leistungsfähig und bietet eine schnelle und sichere Verbindung. Das ist in der Energieverteilung – insbesondere in Anwendungen der kritischen Infrastruktur – von Vorteil.

Um auch den angeschlossenen Geräten den Zugriff auf das Internet zu ermöglichen, sind die Gateways von IoTmaxx mit grundlegenden Routing-Funktionen ausgestattet. Zur Adressvergabe im lokalen Subnetz kann das Gateway entweder als DHCP-Server verwendet oder als DHCP-Client in bestehende Netze integriert werden. Alternativ kann das Gateway auch auf eine statische IP konfiguriert werden.

Lokale Vorverarbeitung mit dem Gateway

Das Linux-basierte System mit Dual-Cortex-A7-Kern bietet ausreichend Rechenleistung, um die Daten lokal auf dem Gateway vorzuverarbeiten. Dank der Docker-Technologie können containerisierte Anwendungen eingesetzt werden, die unabhängig von der Hardware und dem Betriebssystem des Gateways entwickelt beziehungsweise aktualisiert werden können. Darüber hinaus bietet diese Technologie einen optimalen Schutz der eingesetzten Algorithmen, da ausschließlich Binärcode in Form eines Container-Images aufgespielt wird. Für den Zugriff auf die lokalen Schnittstellen des Gateways, beispielsweise aus einem Docker-Container heraus, steht dem Nutzer eine vorinstallierte REST-API zur Verfügung.

Individuelle Gateway-Applikationen können entweder durch den Kunden selbst oder als Service von IoTmaxx programmiert werden. Damit sind intelligente Edge-Computing-Lösungen möglich, die den Datenverkehr in die Cloud stark reduzieren, deutlich kürzere Reaktionszeiten ermöglichen und ein Agieren ohne Internetanbindung oder Server erlauben.

Kunden von IoTmaxx profitieren von einem umfassenden Service und einer persönlichen Beratung durch kompetente Ansprechpartner, die über jahrelange Erfahrung in den Bereichen Embedded Computing und Mobilfunk verfügen. „Wir realisieren mit unseren Industrie-Routern und Gateways individuelle, bedarfsgerechte und wirtschaftliche Industrial-IoT-Gesamtlösungen“, so Lelonek abschließend. Nicht zuletzt profitiert auch der Endanwender von einer sicheren, intelligenten und kostengünstigen IIoT-Lösung „Made in Germany“.