Für unseren Kunden entwickelten wir einen #lowenergy #Lora #IoT Endnode.
Das Gerät wird genutzt, um Temperaturen und Drücke zu erfassen. Diese werden dann über einen Gateway an einen Server gesendet.
Hierfür setzen wir ultralowenergy Bauteile ein. Ziel ist es die Standby Stromaufnahme des gesamten Systems unter 10µA zu bekommen.
Nur so können wir die Akku und Laufzeitanforderungen des Kunden erfüllen.
Die einzelnen Energieverbrauche haben wir mit einem Testaufbau genau erfasst und die Ergebnisse in eine Laufzeitsimulation übertragen. So erhalten wir relativ genau Daten, wie lange die Energie reichen wird.
Das Internet of Things (kurz „IoT“ oder deutsch „Internet der Dinge“) ist ein Netzwerk, in dem kleine, mobile und energiesparende Geräte mit Sensoren, Software und anderen Technologien ausgestattet sind, um Daten und Informationen an Cloud-Plattformen zu senden und von diesen zu empfangen. Diese Daten können Informationen über den Standort sowie von Sensoren erfasste Messungen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration oder Füllstände umfassen.
Die gesammelten Daten der Endgeräte (Endnodes oder "Dinge") können dann im Server weiterverarbeitet werden und für diverse Auswertungen und Analysen genutzt werden. Die Analysen können dann an Maschinen, Prozesssoftware, Geräte oder Menschen weitergegeben werden, wodurch neue Möglichkeiten für Effienz, Innovation und Geschäftsmodelle entstehen.
Ein IoT-Gerät kommuniziert immer über ein mobiles Netz, um kontinuierliche und zuverlässige Verbindung für den Datenaustausch zwischen den Geräten und Cloud-Plattformen oder anderen Systemen zu ermöglichen.
Meist kommt für IoT-Geräte eines der folgenden mobilen Netze zum Einsatz:
Die Vision einer vernetzten Umgebung und der Kommunikation zwischen "Dingen" wurde bereits 1966 von Karl Steinbuch skizziert. Die Entwicklung des "Internet der Dinge" (IoT) nahm jedoch erst so richtig in den 2000ern Fahrt auf, wobei schon 1982 an der Carnegie Mellon University ein Getränkeautomat über das Arpanet, einen Vorläufer des Internets, überwacht wurde. 1990 wurde der erste vernetzte Toaster von John Romkey und Simon Hackett vorgestellt. 1991 sprach Mark Weiser in "The Computer for the 21st Century" von „Ubiquitous Computing", einem allgegenwärtigen Rechnen. Der Begriff "IoT" wurde schließlich 1999 von Kevin Ashton geprägt. Die Vernetzung von Geräten nahm rasant zu, und 2008 gab es bereits mehr vernetzte Geräte als Menschen. Bis 2025 sollen schätzungsweise 75 Milliarden Geräte online sein.
Das Internet der Dinge (IoT) kommt besonders auch in der Industrie zum Einsatz (dort auch "IIoT" oder Industrial Internet of Things genannt). Das Internet of Things ist ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Industrie 4.0.
Industrie 4.0 ist die Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Abläufen. Oft können die Maschinen (oder Abläufe) auch über das Internet vernetzt werden, bei dezentralen Geräten oder Maschinen ist man jedoch auf IoT-Technologie angewiesen.
Hier sind einige Beispiele aus Kundenprojekten der Projektraum Reger GmbH:
Der Füllstandssensor in einem Altpapiercontainer sendet zweimal am Tag den Füllstand des Containers an eine Cloud. So kann der Entsorgungsbetrieb immer genau die Container leeren, die gerade voll sind und fährt nicht umsonst zu einem noch nicht vollen Container. Außerdem steht auch kein Container lange voll da, ohne zeitnah abgeholt zu werden.
So entstehen viele Vorteile: Die Fahrt des Lkw lohnt sich, da der Container voll ist, die Leute müssen sich nicht über volle Container ärgern und es kann viel Energie gespart werden.
Das Container-Projekt wurde derzeit noch mit 2G umgesetzt. Lora und NB-IOT waren noch in den Kinderschuhen.
Mittels LoraWan haben wir ein Kundenprojekt umgesetzt, welches mit diversen Sensoren einen Bienenstock überwacht. Mit den Sensoren können Rückschlüsse auf das Wohlbefinden der Bienen gezogen werden. Die Daten werden mit einem von uns entwickelter Low-Energie Endnode gesammelt und dann via LoraWan an ein Gateway gesendet. Der kundenspezifisch entwickelte Gateway übermittelt die Daten dann mittels Internet an den Server. Endkunden (Imker) können ihre Bienenstöcke dann mit einer App überwachen.
Für das Bauwesen haben wir im Kundenauftrag einen Lora Endnode entwickelt, welcher Temperaturen und Druckeinwirkungen erfasst, und die Daten an ein Gateway sendet. Dadurch können die Systeme genau überwacht werden und Fehler oder Probleme können frühzeitig erkannt und behoben werden. Das IoT-Gerät ist batteriebetrieben, daher muss der Energieverbrauch sehr niedrig sein. Wir haben daher Ultra-Low-Energie-Komponenten eingesetzt, welche nur bei Bedarf aktiviert werden.
Das Internet der Dinge basiert auf drei grundlegenden Komponenten:
Sensoren sind die Augen und Ohren des IoT. Sie erfassen Informationen über die physische Welt, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Bewegung, Licht oder Schall. Sensoren können auch Daten aus anderen Quellen lesen, wie Barcodes, RFID-Tags oder Kameras.
IoT Geräte können auch agieren und eine dezentrale Maschine steuern.
Konnektivität ermöglicht die Übertragung von Daten zwischen den Sensoren und dem Internet oder anderen Netzwerken. Dies kann über verschiedene Technologien wie Lora, Sigfox, NarrowBand geschehen.
Analysen sind die Gehirne des IoT. Sie verarbeiten die gesammelten Daten und wandeln sie in nützliche Informationen oder Aktionen um. Dies kann mithilfe von Cloud-Diensten oder Künstlicher Intelligenz (KI) erfolgen.
Bis vor einigen Jahren war die Datenerfassung von dezentralen Systemen (mobilen Geräten) nur über das Mobilfunknetz möglich. Die Grundkosten waren hoch, obwohl die Geräte nur eine sehr geringe Bandbreite (Datenübertragungsrate) benötigen. So haben sich nach und nach die unterschiedlichen IoT-Netze entwickelt (Lora, NarrowBand-IoT, Sigfox). IoT-Netze erlauben nur eine geringe und definierte Bandbreite, dafür ist die Nutzung jedoch sehr günstig.
Das Internet der Dinge bringt auch einige Herausforderungen mit sich, die gelöst werden müssen. Einige davon sind:
IoT-Geräte können anfällig für Hackerangriffe oder Manipulationen, die zu Datenschutzverletzungen oder wirtschaftlichen Schäden führen. Daher müssen IoT-Geräte mit geeigneten Sicherheitsmaßnahmen geschützt werden, wie Verschlüsselung oder Authentifizierung.
IoT-Geräte verbrauchen Strom für ihre Funktionen und Kommunikation. Dies kann zu einem erhöhten Energiebedarf führen, vor allem wenn es sich um batteriebetriebene Geräte handelt, die nicht für Energieeffizienz konzipiert wurden. Daher müssen IoT-Geräte mit Technologien, wie Low-Power-Wireless-Networks oder Energy-Harvesting, ausgestattet werden, um klein, mobil, nachhaltig und wirtschaftlich zu sein.
IoT-Geräte stammen oft von verschiedenen Herstellern oder Anbietern und verwenden unterschiedliche Standards oder Protokolle für ihre Kommunikation. Dies kann zu Kompatibilitätsproblemen führen, wenn es um die Integration oder den Datenaustausch geht. Daher müssen IoT-Geräte mit offenen Plattformen oder Schnittstellen versehen werden, die eine einfache Vernetzung ermöglichen.
Da IoT-Systeme auf eine ständige und zuverlässige Netzwerkverbindung angewiesen sind, um Daten zwischen den vernetzten Geräten und Sensoren auszutauschen und zu analysieren, ist die Verfügbarkeit und Qualität des lokalen IoT-Netzes entscheidend. In Gebieten mit schlechter Netzabdeckung oder unzureichender Bandbreite können IoT-Anwendungen meist nicht ordnungsgemäß funktionieren oder sogar komplett ausfallen. Dies führt zu eingeschränkter Effektivität und Reichweite der IoT-Technologie, insbesondere in ländlichen oder entlegenen Gebieten, in denen der Netzausbau noch nicht so gut ist.
Das Implementieren einer IoT-Infrastruktur erfordert oft umfangreiche Investitionen in Hard- und Software, um die Vielzahl der vernetzten Geräte und Sensoren optimal zu integrieren und zu verwalten. Darüber hinaus muss in spezialisiertes Personal oder externe Dienstleister wie uns investiert werden, um die Entwicklung, Implementierung und Wartung der IoT-Systeme zu gewährleisten. Diese hohen Anfangsinvestitionen können besonders für kleinere Unternehmen und Start-ups eine echte Hürde darstellen.
Das Internet der Dinge ist in Deutschland ein Wachstumsmarkt. Für die kommenden Jahre wird laut Statista eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 8,34 % für den Zeitraum von 2023 bis 2027 prognostiziert, was zu einem erwarteten Marktvolumen von 2,149 Milliarden Euro im Jahr 2027 für IoT-Technologien führt.
Besonders die Anwendungsbereiche Logistik und Industrie sind in Deutschland stark vertreten — zusätzlich wird in den nächsten Jahren der Agrar- und Bausektor eine primäre Rolle einnehmen, da das Internet of Things hier mit massiven Produktivitätssteigerungen lockt.
Anhand der Absatzzahlen stechen vor allem auch die Smart-Home-Technologien als Marktsegment hervor. Mit einem Marktvolumen von etwa 1,545 Milliarden Euro stehen sie im IoT-Sektor aktuell vorne.
Um mit der Entwicklung und Integration von IoT-Technologie zu beginnen, muss zunächst der Umfang des Projekts bewertet werden. Dazu gehört:
Sobald der Umfang der IoT-Entwicklung abgesteckt ist, wird im nächsten Schritt ein Plan erstellt, wie das IoT-System eingesetzt werden soll. Dazu gehören die Auswahl der richtigen Hardware, Software und Kommunikationsprotokolle sowie die Entwicklung aller erforderlichen Anwendungen oder APIs. Dann muss das System getestet und überprüft werden, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert. Darauf folgt die Kleinserienfertigung und Serienproduktion (sollte dies vorgesehen sein).
Auch die Serverseite muss bedacht werden. Die Daten müssen verarbeitet, analysiert und aufbereitet werden. Oft übernehmen diesen Teil unsere Kunden selbst.
Bei der Entwicklung von Endnodes oder Gateways können wir Sie sowohl mit der Hardware als auch mit der benötigten hardwarenahen Software unterstützen. Wir bieten auch kostengünstige Versuchsaufbauten an, was für viele Kunden wichtig ist, um zu sehen, ob die gewünschten Daten wirklich aussagekräftig gesammelt werden können.
Verfasst von: Sebastian Reger
