LoRa - die komplementäre Technologie
Sensoren im Internet der Dinge
Das Thema IoT hat an greifbarer Relevanz gewonnen und wird immer interessanter, auch für bestehende Systeme und Bestandsanlagen. Sensoren sind dabei die wichtigsten Datengeneratoren des IoT. Sie sind Enabler für neue Prozesse und moderne Businessmodelle - durch sie entsteht eine neue, digital vernetzte Welt. Sensoren registrieren Position, Feuchtigkeit, Temperatur, Helligkeit, Dichte, Bewegung, Beschleunigung, Lautstärke, Abstände, Farben, Muster etc. Doch erst die passende Kommunikationstechnologie ertüchtigt die Sensoren für das IoT. Wir zeigen, welchen Beitrag LoRa dazu leisten kann.
Bild: PublicDomainPictures/Pixabay / m2m Germany GmbH

Die Methoden der einzelnen Sensoren sind vielfältig und durch die Integration von Funk in bereits bestehende Messverfahren, eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten. Zentrale Herausforderungen dabei sind die zuverlässige Verbindung und Kommunikation unterschiedlichster Dinge miteinander, ohne das Sicherheitsaspekte vernachlässigt werden, die Kosten im Rahmen bleiben und energiesparende Technologien zum Einsatz kommen. All das gewährleisten auf LoRa basierende Funksensoren und bieten eine klare Alternative für einen Einstieg ins IoT – eine entsprechende Infrastruktur vorausgesetzt.

LoRa-Gateway mit Modbus Schnittstelle
LoRa-Gateway mit Modbus SchnittstelleBild: Sensing Labs

Die Basis für das Internet of Things

Für die vernetzten Dinge von morgen wird eine passende Infrastruktur benötigt, die die unzähligen Geräte- und Sensordaten handhaben kann. Bewährte Funkstandards wie WLAN, 3G/4G, Bluetooth sind dafür nur bedingt geeignet, da die Geräte – für sich und im Verbund – zu viel Energie verbrauchen, die Reichweite zu gering ist und eine tatsächliche Vernetzung zu aufwändig ist. Der Funkstandard LoRa ist hier eine reelle Alternative. LoRa ist speziell für kleine, batteriebetriebene Geräte entwickelt worden, um von diesen Daten über Gateways in das Internet zu senden. LoRa offeriert eine verlässliche Kommunikation bei Reichweiten von bis zu 15km im unlizenzierten Frequenzband von 868MHz. Es ist eine hoch skalierbare Technologie – nahezu unbegrenzt ist die Anzahl der Endgeräte die eingebunden werden können und LoRa/LoRaWAN ist ein weltweiter Standard. LoRaWAN ist die Schnittstelle zwischen dem IoT-Gerät und einer Cloud. Das LoRaWAN Netz ist in seiner Topologie sternförmig – der Deckungsbereich ist nach allen Seiten offen und verknüpfbar. Grundsätzlich funktioniert LoRaWAN ähnlich wie ein herkömmlicher W-LAN Access Point: Daten werden von IoT-Geräten via Gateway empfangen und über das Internet an eine Cloud gesendet. In der Cloud stehen die Daten dann dem Anwender zur Verfügung. Im Gegensatz zu Wi-Fi oder GSM bzw. LTE wird für LoRa keine SIM-Karte oder ein Authentifizierungsschlüssel wie bei W-LAN benötigt.

 Sicherheitsabstand einhalten dank LoRa-Tracker
Sicherheitsabstand einhalten dank LoRa-TrackerBild: Abeeway

Weniger ist mehr

Die einzige Einschränkung bei LoRa ist die sehr niedrige Datenrate (<50kbps), das bedeutet, die Anwendungen dürfen nicht nach hohen Datenraten verlangen. Handelt es sich jedoch um kurze Statusmeldungen, Steuerbefehle, GPS Standortdaten und aktualisierte Sensordaten, dann ist LoRa die perfekte Wahl. LoRa ist nicht die Lösung für das Senden von Dauersignalen, aber ideal für den Intervallversand von kleinen Datenpaketen. Und genau das ist oft relevant bei IoT-Anwendungen, im Besonderen bei der Mess- & Regeltechnik geht es doch meist um Ereignis gestütztes Melden oder Status Benachrichtigungen.

Komplementäre Sensoren

Im Zeitalter von Industrie 4.0 und IoT sind die Anforderungen für Sensoren enorm gestiegen. Durch Funkintegration in bereits bewährte Sensoren, lassen sich komplett neue Szenarien abbilden und Sensor2Cloud Lösungen realisieren. Implementiert man beispielsweise den Funkstandard LoRa in einen Ultraschallsensor werden neue Anwendungen ermöglicht. In der industriellen Anwendung zeichnen sich Ultraschallsensoren neben ihrer Zuverlässigkeit besonders durch ihre enorme Vielseitigkeit aus. Sie lösen auch besonders komplexe Aufgaben beim Erfassen von Objekten oder Füllständen, weil ihr Messprinzip unter fast allen Umständen zuverlässig funktioniert.

 Ultraschallsensor mit integrierter Lora-Funktechnologie, OEM-Entwicklung von m2m Germany
Ultraschallsensor mit integrierter Lora-Funktechnologie, OEM-Entwicklung von m2m GermanyBild: m2m Germany GmbH

Vielseitig einsetzbar

Kein anderes Messverfahren lässt sich so breit und in so vielen unterschiedlichen Anwendungen erfolgreich einsetzen. Ultraschallsensoren senden hochfrequente, für den Menschen nicht hörbare Schallimpulse zur Messung aus. Diese breiten sich in der Luft keulenförmig aus und werden reflektiert, sobald sie auf eine Oberfläche treffen. Die Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Puls-Laufzeit-Messung. Dabei messen sie die Zeit zwischen dem Aussenden der Schallwellen bis zum Empfang des vom Objekt reflektierten Echos. Auf diese Weise können sowohl Objekte detektiert als auch ihr Abstand zum Sensor (beispielsweise Silo-Füllstände) ermittelt werden. Bislang wurden solche Sensoren kabelgebunden verbaut, um mit Strom versorgt zu werden und die erfassten Messdaten zu übermitteln. An einen komplett drahtlosen Einsatz war somit nicht zu denken. Durch die Implementierung von LoRa kann dies wiederum ermöglicht werden. Somit können Füll- und Pegelstände bestimmt werden bei Containern, Tanks und Silos, aber auch Pegelstände von Flüssen und Seen, können aus der Ferne überwacht werden. Darüber hinaus kann bei zusätzlicher Implementierung von GPS auch die Geoposition eines Behälters via LoRaWAN Verbindung ermittelt werden. Interessant ist dabei, dass LoRa-Sensoren sowohl in einem privaten, als auch in einem öffentlichen betriebenen LowPower-Funknetz betrieben werden können. In zusätzlicher Kombination mit Bluetooth, kann dann auch via App, auf alle gesammelten und im Netz bereitgestellten Sensordaten, jederzeit zugegriffen werden. Überhaupt gilt für die batteriebetriebenen, auf LoRa-basierenden Funksensoren, dass mit ihnen, in Kombination mit entsprechenden LoRa-Gateways, eine einfache Nachrüstung für Bestandsanlagen und Gebäude umgesetzt werden kann. Es gibt LoRa-fähige Gateways die über Modbus Schnittstellen verfügen und via TCP/IP an Scada-Systeme eingebunden werden können, womit Retrofit für Bestandsanlagen und Gebäude im Handumdrehen realisiert werden kann. Ventile regeln oder das Schalten von Prozessen generell, kann via LoRa-Sensorik schnell auf IIoT-Level gebracht werden.

Noch mehr Potenzial – LoRa Sensorik und KI

 Smarter Wartungs-Assistant: LoRa-Sensor mit eingebetteter KI
Smarter Wartungs-Assistant: LoRa-Sensor mit eingebetteter KIBild:Éolane

LoRa Sensorik kann aber noch viel mehr, im Besonderen dann, wenn embedded KI -Edge Computing mit ins Spiel kommt. Dann kann sogar ein Wartungs-Assistent für industrielle Instandhaltung – für eine vorbeugende ‚industrial maintenance‘, ermöglicht werden. Besonders geeignet dafür sind Schwingungsanalysen und Vibrationsmessungen. Sie sind nachweislich ein sehr guter Frühindikator für Maschinenausfälle und Wartungsbedarfe. Daher liegt es nah, auch Schwingungssensoren mit LoRa auszustatten. Es gibt bereits einen solchen LoRa-Schwingungs-Sensor, der eine Plug&Play-Lösung ohne großen Implementierungsaufwand zur Verfügung stellt. Er verfügt über einen 6-Achsen Beschleunigungsmesser, der Schwingungsmessungen im 1 bis 6.4kHz-Bereich, in einstellbaren periodischen Abtastungen, erfasst. Darüber hinaus registriert der Sensor Temperaturwerte mit einer Genauigkeit von ±1°C. Es ist ein batteriebetriebener Sensor, der sofort einsatzbereit ist; die Stromversorgung erfolgt durch eine AA Batterie 2.000mA mit einer Nennbetriebszeit von 2 bis 4 Jahren. Der Sensor erkennt und analysiert die Schwingungen der Maschine/Anlage, die es zu überwachen gilt. Dabei lernt er sich selbstständig auf die Maschine ein (embedded KI) und reagiert nach der Einlern-Phase bei Abweichungen vom Normalzustand mit dem Absetzen von Alarm-Benachrichtigungen. Der persönliche Wartungs-Assistent weist auf Unregelmäßigkeiten hin und erlaubt frühzeitig auf einen möglichen Ausfall zu reagieren. Stillstände und kostspielige Instandhaltungsarbeiten können reduziert werden.

Kein Ende der Möglichkeiten in Sicht

LoRa steht noch am Anfang seiner Möglichkeiten. Noch wird der Schwerpunkt von LoRa eher im IoT-Industriebereich angesiedelt. Doch das Interesse steigt. Immer mehr Städte errichten ihr eigenes LoRaWAN Netz, um vielfältige Szenarien umzusetzen. Von Smart Parking Konzepten, über Monitoring der Fernwärmeleitungen bis hin zu Straßenbeleuchtungskonzepten und Smart Farming Anwendungen. Die Facility-Branche signalisiert ebenfalls ihr Interesse an der kostengünstigen Lösung, lassen sich doch via LoRa-Sensorik sämtliche Verbräuche innerhalb eines Gebäudes monitoren und regeln. Darüber hinaus können Passage-Sensoren helfen, Reinigungspersonal effizienter einzusetzen – so dass dem Nutzungsgrad entsprechend Reinigungsintervalle angepasst werden können. Waste-Management ist auch ein spannender Punkt – sowohl für das Facility-Management, als auch für kommunale Entsorgungsbetriebe. Das Feld für LoRa-Sensoren ist noch bei Weitem nicht ausgeschöpft – allein die Tatsache, dass es aktuell LoRa basierende Lösungen für das Einhalten von Sicherheitsabständen während der Covid-19 Pandemie gibt, zeigt wie flexible diese komplementäre Technologie eingestzt werden kann.

m2m Germany GmbH
http://www.m2mgermany.de

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