Low Power Communication

Drei Trends, die man kennen sollte

Digitalisierung bietet enorme Chancen, ist aber auch mit großen Herausforderungen verknüpft - sowohl in der Industrie, aber insbesondere auch in weit verteilten Anwendungsbereichen, die bisher wenig von der digitalen Transformation profitiert haben. Dort hängt der Erfolg des Internets der Dinge unter anderem maßgeblich von effizienten, autarken Lösungen mit drahtloser Kommunikation ab. Das Marktpotenzial ist riesig, vor allem Energy Harvesting in Kombination mit LPWAN-Technologien sind im Kommen. Welche wo das Rennen machen, zeichnet sich derzeit ab.
LPWAN - Low Power Wide Area Network, modern technology, telecommunication and internet concept.
LPWAN – Low Power Wide Area Network, modern technology, telecommunication and internet concept.Bild: Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG

Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWAN) bieten als drahtlose Kommunikationslösung über große Entfernungen mit einer niedrigen Bitrate viele Vorteile. So kombinieren diese Technologien eine große Reichweite mit einem niedrigen Stromverbrauch und einer sicheren Datenübertragung. Entsprechend vielfältig sind die Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten. Sie reichen in der Industrie vom Flottenmanagement über Warenverfolgung, Stromnetzmanagement und der Gebäudeautomatisierung bis hin zur Klima- und Prozessüberwachung und -steuerung. In den letzten Jahren wurden bei den energieverbrauchsarmen drahtlosen Übertragungstechnologien deutliche Verbesserungen im Hinblick auf Übertragungsqualität, Kosten sowie Netzkapazität und Netzeffizienz erzielt – weshalb die Nutzung von LPWAN stetig zunimmt.

Entsprechend groß wird der Markt LPWAN-Technologien geschätzt – allein in den USA wird laut eines Berichts der Organisation Mordor Intelligence bis 2026 ein Umsatzvolumen 249,12Mrd.US$ erwartet. Davon profitieren wollen verschiedene Anbieter. In Stellung gebracht haben sich die Telekommunikationsanbieter mit 5G, das mit Narrowband-IoT eine Low Power Wide Area Network (LPWAN) Komponente für weite Übertragungsdistanzen mit bis zu 50.000 Geräten pro Zelle offeriert. Spannend jedoch wird die Frage, inwiefern offene Standards wie LoRa und Sigfox an Bedeutung gewinnen und welche Faktoren neben Übertragungssicherheit und Kosten noch bei der Kaufentscheidung eine Rolle spielen werden. Einige Tendenzen lassen sich bereits heute beobachten.

Bild: Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG

Trend 1: Mehr Bedarf an Datenerfassung zur Steuerung komplexer verteilter Systeme

Digitalisierung hält seit einiger Zeit zunehmend Einzug in Anwendungsbereiche, in deren Fokus die Erfassung von Umwelt- und Ressourcenverbrauchsdaten stehen. Darunter auch Bereiche, in denen es bisher nicht lohnend erschien, Umweltdaten oder Ressourcenverbrauch zu überwachen und zu optimieren. Pandemie, Energieknappheit und Klimawandel haben jedoch zu einem Umdenken gezwungen und erste Lösungen zur Überwachung der Luftqualität in geschlossenen Räumen oder auch zum Wasserverbrauch in der Landwirtschaft hervorgebracht. Die Einsatzbereiche zeichnen sich in der Regel durch sehr weit verteilte Infrastrukturen aus und dadurch, dass meist eher kleinere Datenmengen in größeren zeitlichen Intervallen zu übermitteln sind. Daten, die gleichermaßen wertvolle Einblicke in Umweltveränderungen geben als auch in Nutzungsdauer, Nutzerverhalten oder generell in die Dynamik der im überwachten System ablaufenden Prozesse. Auf diese Weise kann der Ressourcenverbrauch einer Vielzahl von Verbrauchern konstant beobachtet, prognostiziert und optimiert werden.

Eine Voraussetzung dafür ist die Daten- und Messwerterfassung durch autarke – und damit von Energie- und Kommunikationsinfrastruktur per Leitung unabhängigen – Sensortechnik. Einen ersten Meilenstein hat dabei Smart Metering mit intelligenten Zählersystemen für den Energieverbrauch in Unternehmen und Privathaushalten gesetzt. Doch geht die hier eingesetzte Sensortechnologie nicht weit genug: weitere nachhaltige Anwendungsszenarien, die dazu beitragen Ressourcenverbrauch und -verluste oder Umweltverschmutzung zu reduzieren, werden den Bedarf an fortgeschritteneren technischen Lösungsansätzen zur Digitalisierung steigern – und damit die Notwendigkeit, eine zunehmende Anzahl an verschiedenen Systemen miteinander zu vernetzen, die sich außerhalb geschlossener Bereiche weit verteilt und über sehr viele Messpunkte hinweg erstrecken.

Trend 2: Energy Harvesting übernimmt Stromversorgung autarker Sensoren

Energieautarken Sensoren kommt folglich in den IoT-Anwendungen der Zukunft zunehmend eine Schlüsselrolle zu. Dies gilt vor allem in bisher eher weniger erschlossenen 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.

Diese verteilten Umgebungen bzw. standalone-arbeitenden Messstationen zeichnen sich durch deutlich größere, durch Übertragungstechnologien zu überwindende Entfernungen, ein härteres Umfeld (beispielsweise freie Natur oder toxische Umgebungen), kleinere Datenübertragungsintervalle und den Bedarf an einer autarken Energieversorgung der Mess- und Übertragungssysteme aus. Letzteres vor allem deshalb, weil die Anbindung an ein Stromnetz nicht möglich ist und sich der Einsatz von regelmäßig auszutauschenden Batterien wegen der großen geografischen Distanzen im Rahmen einer manuellen Wartung nicht rechnet.

Gewährleistet werden könnte die Energieversorgung einerseits durch den Einsatz langlebiger Batterien oder aber durch Energy Harvesting. Dabei wird Energie aus Bewegung, Licht oder auch Temperaturunterschieden gezogen. Hersteller von Sensoren und Messwertaufnehmern werden folglich gefordert sein, ihre Produkte auf diese Anwendungsbereiche hin weiterzuentwickeln, um sich in diesen zukunftsträchtigen Feldern erfolgreich zu positionieren. Gefordert sind technische Lösungen für die autarke Energieversorgung der Produkte als optionales Add-on. Denn nur so können die variablen Rahmenbedingungen der unterschiedlichen Anwendungsbereiche berücksichtigt werden – bei gleichzeitig guten wirtschaftlichen Erträgen. Energy Harvesting könnte folglich der Startschuss für die Entwicklung einer vollkommen neuen Generation von energieeffizienten, autonomen und wartungsarmen Messgeräten sein.

Trend 3: Offene Low-Power-Kommunikationsstandards für die Vernetzung autarker Sensoren

Erfolgreiche IoT-Anwendungen setzen den regelmäßigen und zuverlässigen Austausch von Signalen und Daten aus Datenquellen wie autark arbeitenden Messwertaufnehmern voraus – auch in weit verteilten Anwendungen. Denn nur wenn die Datenübermittlung an übergeordnete Steuerungs- und Datenverarbeitungseinheiten auch über weite Strecken und über einen sehr langen Zeitraum hinweg zuverlässig und sicher funktioniert, kann sowohl über manuelles Ablesen als auch mithilfe von Automatisierung zielgerichtet in die Systeme eingegriffen werden.

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