Drahtlose Kommunikation spielt für den richtigen Umgang mit IoT eine wichtige Rolle.

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Low Power Communication kommt IoT-Faktencheck – drei Trends, die man kennen sollte

07.11.2022

Digitalisierung bietet enorme Chancen, ist aber auch mit großen Herausforderungen verknüpft – vor allem in weit verteilten Anwendungsbereichen. Dort hängt der Erfolg des IoT maßgeblich von effizienten, autarken Lösungen mit drahtloser Kommunikation ab. Stefan Angele, Geschäftsführer der auf Systems Engineering und Elektronik spezialisierten Systemtechnik Leber über drei Trends, die den Weg dorthin ebnen sollen.

Warum sind LPWAN-Technologien vor allem für weit verteilte Systeme die richtige Wahl?

Ganz einfach deshalb, weil sie drahtlos funktionieren. Und das über große Entfernungen und mit einer niedrigen Bitrate. Der Vorteil ist, dass die Datenübertragung sehr sicher ist, und gleichzeitig der Stromverbrauch sehr niedrig. Denn in den letzten Jahren wurden bei den energieverbrauchsarmen drahtlosen Übertragungstechnologien deutliche Verbesserungen im Hinblick auf Übertragungsqualität, Kosten sowie Netzkapazität und Netzeffizienz erzielt. Deshalb nimmt die Nutzung von LPWAN übrigens auch weltweit kontinuierlich zu. Entsprechend groß wird der Markt LPWAN-Technologien geschätzt – allein in den USA wird bis 2026 ein Umsatzvolumen 249,12 Milliarden Dollar erwartet. In Stellung gebracht haben sich hier bereits die Telekommunikationsanbieter mit 5G. Viel spannender jedoch ist die Frage, inwiefern offene Standards wie LoRa und Sigfox an Bedeutung gewinnen.

Von der drahtlosen und sicheren Datenübertragung einmal abgesehen – welche Faktoren spielen bei der Entscheidung für eine der genannten Anbieter eine Rolle?

Es sind meiner Meinung nach gleich drei Faktoren, die man im Auge behalten muss: eine umfassende Datenerfassung, die langfristige Stromversorgung autarker Sensoren und Offene Low-Power Kommunikationsstandards für die Vernetzung dieser Sensoren. Nehmen wir mal das Thema Datenerfassung. Da hat man erst vor ein paar Jahren damit angefangen, Umwelt- und Ressourcenverbrauchsdaten zu erfassen – um nämlich beides zu überwachen, daraus Schlüsse zu ziehen und bisherige Prozesse zu optimieren. Beispiele dafür ist Überwachung der Luftqualität in geschlossenen Räumen oder auch des Wasserverbrauchs in der Landwirtschaft. Typisch für diese Einsatzbereiche ist – und das ist gleichzeitig die technische Herausforderung – dass sie sich in der Regel durch geografisch sehr weit verteilte Infrastrukturen beziehungsweise stand-alone arbeitende Messstationen auszeichnen, durch ein härteres Umfeld wie Standorte in der freien Natur oder toxischen Umgebungen, und dadurch, dass meist eher kleinere Datenmengen in größeren zeitlichen Intervallen zu übermitteln sind. Einen ersten Meilenstein hat in dieser Richtung Smart Metering mit intelligenten Mess- und Zählersystemen für den Energieverbrauch in Unternehmen und Privathaushalten gesetzt. Doch geht die hier eingesetzte Sensortechnologie nicht weit genug: künftig wird man zunehmend verschiedene Systeme miteinander vernetzten wollen, die sich außerhalb geschlossener Bereiche befinden und weit verteilt über sehr viele Messstationen hinweg. Dann kann wegen der großen geografischen Distanzen ein augenscheinlich einfacher Batteriewechsel im Rahmen einer manuellen Wartung sehr aufwändig sein.

Wenn die bisherige Art der Stromversorgung für Sensoren künftig nicht mehr ausreicht oder effizient genug ist, welche Lösungsansätze bieten sich alternativ dafür an?

Genau hier kommen wir zu einem weiteren Thema, das zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. Denn es sind energieautarke Sensoren, denen in den IoT-Anwendungen der Zukunft eine Schlüsselrolle zukommen wird. Gerade in weit verteilten Umgebungen. Deren zu überwachende Infrastrukturen unterscheiden sich stark von denen im industriellen Umfeld, auf das die Mehrzahl der bis heute entwickelten Sensortechnologien zugeschnitten sind. Vor allem deshalb, weil meistens die Anbindung an ein Stromnetz nicht möglich ist, und sich der Einsatz von regelmäßig auszutauschenden Batterien wie schon erwähnt nicht rechnet. Was ist die Alternative? Zum einen könnte die Energieversorgung durch den Einsatz besonders langlebiger Batterien gewährleistet werden. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz der Zukunftstechnologie des Energy Harvesting. Dabei wird Energie aus Bewegung, Licht oder auch Temperaturunterschieden gezogen. Erste Erfolgsbeispiele aus der realen Praxis gibt es dazu bereits. Wer also Sensoren oder Messtechnik herstellt wird gefordert sein, sein Produktportfolio für die Anforderungen weit verteilter Systeme weiterzuentwickeln. Die autarke Energieversorgung als optionale Add-on wird zum entscheidenden Verkaufsargument. Energy Harvesting könnte folglich der Startschuss für die Entwicklung einer vollkommen neuen Generation von energieeffizienten, autonomen und wartungsarmen Messgeräten sein.

Und welche Kommunikationsstandards werden wohl bei der Vernetzung dieser autarken Sensoren das Rennen machen?

Erfolgreiche IoT-Anwendungen setzen den regelmäßigen und zuverlässigen Austausch von Signalen und Daten aus Datenquellen wie autark arbeitenden Messwertaufnehmern voraus. Dies stellen bereits heute mehrere Kommunikationsstandards sicher: Neben LoRaWAN vor allem Sigfox, Mioty und NB-IoT – in jeweils unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Ob sich einer dieser Standards künftig bereichsübergreifend durchsetzen wird, ist derzeit aber noch offen. Denn sie unterscheiden sich in ganz wesentlichen Punkten hinsichtlich ihrer Netzwerkinfrastruktur und Leistungsumfangs. Für was man sich entscheidet, hängt tatsächlich vom Einzelfall ab. So kann es in einem Fall von Vorteil sein, wenn bei Nutzung von NB-IoT ein Mobilfunkbetreiber hinter der Anwendung steht, in einem anderen dagegen, wenn man die Datenhoheit behält. Für Hersteller von Sensoren und Messwertaufnehmern stellt sich diese Vielfalt derzeit als Herausforderung dar. Denn natürlich möchte keiner auf das falsche Pferd setzen. Gleichzeitig muss man irgendwann mal loslegen, wenn man bei der Erschließung von Anwendungsbereichen mit stark dezentralisierten Infrastrukturen mitmischen will. Idealerweise entwickelt man modulare Lösungsansätze, mit denen man seine Produkte entsprechend flexibel ertüchtigen kann. Hierbei kommen verstärkt Hersteller von SOC-Komponenten ins Spiel, die sich auf die Bereitstellung von Design-In Komponenten für die Low-Power Kommunikation spezialisiert haben. Mit deren Hilfe beziehungsweise mit Knowhow hinsichtlich der zum Anwendungsfall passenden Kommunikationsstandards bietet sich hier ein großes Marktpotenzial. Für etablierte Sensorherstellern aber auch für Newcomer.

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  • Interview mit Stefan Angele, Geschäftsführer Systemtechnik Leber, zum Thema LPWAN-Technologie

    Interview mit Stefan Angele, Geschäftsführer Systemtechnik Leber, zum Thema LPWAN-Technologie

    Bild: Leber

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