0G-basierte IoT-Anbindung für prädikative Instandhaltung

Das Sigfox 0G-Netz ist technisch betrachtet ein sogenanntes Low Power Wide Area Netz (LPWAN), das Funkdaten von Geräten auch dann noch empfangen kann, wenn diese in Ballungsräumen mehrere Kilometer vom nächsten Funkmast entfernt sind und aus geschlossenen Räumen und Kellern heraus die Daten senden. In ländlichen Regionen beträgt die Reichweite sogar 30 bis 50 Kilometer. Solche Reichweiten sind im Vergleich zu lokalen Funktechnologien wie Zigbee, Bluetooth oder WLAN enorm und man benötigt auch keinen eigenen Accesspoint.

0G ist auch eine echte Alternative zu Mobilfunkverbindungen wie LTE und 5G, denn deren Zellenreichweite ist ebenfalls begrenzter. Die Reichweite der Funkzellen – die insbesondere für ländliche Regionen entscheidend ist – ist aber nicht der einzige Vorteil des neuen Netzes. Auch der Energieverbrauch ist beim Sigfox 0G deutlich geringer. Zum Verbindungsaufbau ist nämlich kein Handshake zwischen einem Funkmast und dem Gerät erforderlich. Es kann einfach ohne diesen seine Daten versenden und das Netz hört – ähnlich wie ein Radioteleskop – kontinuierlich mit.

Zudem gibt es Angebote von Sensorhersteller, bei denen der Anwender keine Nutzungsentgelte an dem Netzbetreiber abführen muss. Der Gerätehersteller zahlt die gewünschten Verbindungen vielmehr beim Erwerb der Device-Lizenz, sodass der Anwender sich um dieses Thema gar nicht kümmern muss. Da keine SIM-Karten zum Einsatz kommen müssen, entfällt auch der Aufwand, diese in Betrieb zu nehmen und zu verwalten. Zudem fallen auch keine Roaming-Gebühren an, was den weltweiten Einsatz dieser Technologie ermöglicht, ohne dass die Kosten explodieren. Viele gute Gründe also, diese Technik für den Einsatz als IIoT Schnittstelle für die vorausschauende Wartung zu evaluieren.

Zustandsüberwachungen und Predictive Maintenance

Im Vergleich zu GSM/LTE basierten Funkverbindungen kann das 0G-Netz vor allem eine besonders kostengünstige M2M-Schnittstelle schaffen, über die Zustandsinformationen an Leitstellen von Betreibern und/oder Remote Monitoring Lösungen von Herstellern übertragen werden können. Da das Netz bidirektional ist, können auch Nachrichten an die Sigfox Devices zurückgesandt werden – beispielsweise für die Freischaltung von Funktionen oder für Parametrier- und Steuerungsfunktionen.

Das große Anwendungsfeld, das sich hieraus ergibt, ist die besonders einfache Erhebung von Betriebs- und Zustandsdaten, was Zustandsüberwachungen und Predictive Maintenance- sowie Remote Management Konzepte erheblich erleichtert. Der Vorteil, dass Sigfox-befähigte Geräte für die Übertragung kaum Energie verbrauchen, macht es dabei möglich, dass man Sensoren und Aktuatoren völlig autark sogar an bestehendem Equipment anbringen kann, ohne sie an eine externe Stromversorgung anbinden zu müssen. Das bietet viel Potenzial zur IIoT-Anbindung von bereits installiertem Equipment.

Lange Batterielaufzeiten

Sensoren für beispielsweise Temperaturen, Schwingungen oder Ölalterung können mit einer Sigfox-Schnittstelle über Jahrzehnte hinweg Messdaten an die IIoT-Applikationen von Motor-Herstellern und -Betreibern liefern, ohne dass jemals eine Batterie gewechselt werden müsste. Stellt man sich nun vor, dass ein Motorenhersteller beispielsweise seine Getriebemotoren mit Vibrationssensoren zur Lager- und Verzahnungsüberwachung bestückt und diese dann zyklisch ihre Daten über Sigfox an zentrale Clouds übermitteln, ist leicht vorstellbar, dass er sein Predictive Maintenance Angebot deutlich effizienter anbieten kann, als wenn er diese Daten lokal vor Ort auslesen oder über die Infrastruktur des Betreibers senden müsste.

Gleiches gilt natürlich auch für komplexere Geräte oder Maschinen. Einzige Begrenzung sind das Datenvolumen und die Anzahl der erlaubten Verbindungen: Bis zu 140 Nachrichten a 12 Byte Nutzdaten kann ein Sigfox Device pro Tag senden; bis zu 4 Nachrichten kann es pro Tag empfangen. Diese Begrenzung führt beispielsweise dazu, dass Unternehmen das Sigfox-Netz primär für Alarmmeldungen einsetzen und die Datenanalyse vor Ort halten – auch Edge-Analytik oder gar Mist-Computing genannt, wenn man das Thema Cloud und Fog bis hin zum Misthaufendampf verständlich bildhaft beschreiben will.

Sigfox eignet sich jedoch nicht nur für das Absetzen von Alarmmeldungen bei Überschreitungen von Schwellenwerten oder Counterdaten, mit dem man die Nutzungshäufigkeit übermitteln will. Vielmehr kann man sehr umfangreiches und vor allem sehr präzises Wissen auch zentral sammeln, denn mit 12 Byte kann man 79 Quadrilliarden unterschiedliche Werte darstellen und damit Systemzustände sehr genau beschreiben. Zur Verdeutlichung: Eine Quadrilliarde ist eine Zahl mit 27 Nullen – vor dem Komma. Mit dieser Vielfalt sollte sich wirklich jeder Systemzustand hinreichend präzise beschreiben lassen

Auch kombiniert mit LTE/GSM

Es gibt zudem auch M2M Applikationen, bei denen 0G- und Mobilfunknetz kombiniert werden. In einem solchen Szenario werden Alarm-, Zustands- und/oder Betriebsdaten per 0G als Default Setting gesendet, denn hierfür braucht man in der Regel keine große Bandbreite. Wird es aber erforderlich, dass massiv Datenmengen ausgetauscht werden müssen, wird die LTE oder GSM Verbindung aufgebaut.

Ein solches Szenario hilft die LTE/GSM Verbindungsentgelte zu drosseln und die Batterielaufzeit der Geräte zu erhöhen. Entsprechende Lösungen, die LTE und Sigfox kombinieren, sind bereits am Markt erhältlich. Ganz leicht lassen sich folglich bereits bestehende Lösungen mit SIM-Karte also um eine Sigfox-Verbindung erweitern und damit die bestehende Lösung noch effizienter gestalten.

Ortung von Gegenständen aller Art

Neben dem großen Anwendungsspektrum für Condition Monitoring und Predictive Maintenance gibt es ein zweites großes Applikationsfeld für Industrieunternehmen, das sich aus einer Zusatzfunktion des Sigfox-Netzes ergibt: die Ortungslogik. Mit Sigfox lassen sich Gegenstände nämlich auch eigenständig lokalisieren.

Über Land ist die Ortung in etwa kilometergenau. Die Lokalisierung erfolgt hier alleine durch komplexe Berechnungen und Routinen der empfangen Funksignale im Cloud-Backend des 0G-Netzes. In Fabrikhallen kann die Ortung bis auf 30 Meter Genauigkeit gesteigert werden. Um diese Genauigkeit zu erreichen, muss das Gerät lediglich einen WLAN-Sensor integriert haben. Es muss also kein Satellitennavigationsempfänger für GPS, Glonass oder Gallileo integriert sein. Der Vorteil: Kosten und Stromverbrauch bleiben besonders gering. Die Geolokalisierung funktioniert zudem auch in Gebäuden.

Video: Das 0G-Netzwerk

Sowohl bei stationären wie beweglichen Gegenständen kann die Instandhaltung von einer solchen Geolokalisierung profitieren, da die kontinuierliche Inventur nun auch den Standort automatisch integrieren kann – was übrigens ganz nebenbei auch zur Überwachung der Assets eingesetzt werden kann, damit sie nicht verlustig gehen. Stellt man sich zudem einen Sensor vor, der ein Gerät überwacht und sich nur dann meldet, wenn es bewegt wird, kann sofort ein Alarm ausgelöst werden. Standort und Verfügbarkeit von Inventar und sonstigen Assets lassen sich also auch recht komfortabel mit dem neuen Netz überwachen.

Mit und ohne GPS

Es gibt aber auch Tracker für Sigfox, die GPS integriert haben. Dann erfolgt die Positionsbestimmung bis auf den Meter oder gar wenige Zentimeter genau. Ein Sigfox-Gerät kann nun alle zehn Minuten seine Position versenden, um so ein exaktes Bewegungsprofil in die Cloud zu liefern. Bei besonders hohen Tracking-Anforderungen sind auch Intervalle von 3:20 Minuten möglich.

Die Übertragung erfolgt dann ohne Sende-Redundanz. Aus Sicht des Instandhalters kann man also auch bei sehr mobilen Dingen jederzeit sein Zielobjekt gut orten. Die Ortung ist aber auch für die Ersatzteilelogistik durchaus interessant. So liefert das Sigfox Netz für den Anwender Airbus beispielsweise ein genaues Bild seiner Ersatzteile – ganz gleich, ob sie sich im Werk, auf der Autobahn oder auf einem der vielen Flughäfen befinden, wo die Instandhaltungen umgesetzt werden.

Hohe Sicherheit inklusive

Bleibt noch eine wichtige Frage: Was ist mit dem Thema Sicherheit? Kann eine Sigfox-Verbindung über das Internet gehackt werden und wäre darüber sogar der Zugriff auf angebundene Maschinen und Anlagen möglich? Theoretisch lässt sich das für keine Technologie ausschließen; es ist aber mehr als unwahrscheinlich, dass dies jemals der Fall sein wird: Betrachtet man das 0G-Netz als solches, so legt es sich wie eine Schutzschicht um das Gerät. Die Kundencloud kann nur über die Sigfox-Device-Cloud, die bereits Bestandteil des Sigfox-0G-Netzes ist, mit den Geräten kommunizieren. Eine direkte Ansprache aus dem Internet heraus ist also nicht möglich

Ab der Device-Cloud – die übrigens von einem in Europa führenden Unternehmen für Kommunikationssicherheit mit dem schärfsten Überwachungsmethoden hermetisch geschützt wird –ist die Kommunikation schon nicht mehr IP-basiert und erstreckt sich von der Device-Cloud über die Funkstationen zum Device. Dadurch ist ein IP-basierte Zugriff auf das Device unmöglich.

Geräte und Nachrichten werden zudem nach neusten Erkenntnissen authentisiert und verschlüsselt. Es müsste also schon extrem viel Aufwand betrieben werden, diese Data Supply Chain bis zum Device hin zu knacken. Die letzte Hürde würde man dann aber dennoch nicht überwinden können, denn eine Sigfox-Verbindung besteht ja zumeist nicht, da sich die Geräte nur bei Bedarf melden. Sie sind also eigentlich immer offline und damit bestmöglich geschützt.

Zudem betreibt Sigfox ein eigenes NOC (Network Operation Center), welches das Netzwerk 24/7 überwacht und durch ständig aktualisierte Firewalls, Virenschutz- und Intrusion Detection Systeme schützt. Sicherheitsbedenken vor Hacks aus dem Internet sind bei einer Sigfox-IoT Anbindung folglich unbegründet.

Breites Produktportfolio bereits verfügbar

Wie weit Sigfox-0G bereits verbreitet ist, zeigt ein Blick auf die Website partners.sigfox.com. Hier sind bereits 123 Produkte von 51 Herstellern zu finden, wenn man Maintenance angibt – vom adaptiven Sensor bis zur Cloudsoftware. Zudem gibt es auch zahlreiche Lösungen für Wartungs-Schnittstellen wie USB oder serielle Schnittstellen sowie auch Lösungen für Systemerweiterungsbusse wie PCI Express. Unter diesen gibt es zudem auch Lösungen, die neben der reinen Schnittstellen- und Sendelogik auch eine programmierbare Logik integriert haben und damit Edge-Analytik und Dongle-Funktionen übernehmen können.

So lassen sich auch Daten priorisieren, sollten nicht alle Messwerte in einer Nachricht übertragbar sein. Welche Lösung am Ende am besten zur Predictive Maintenance Aufgabe passt, hängt von der jeweiligen Anwendung ab und bedarf der sorgfältigen Evaluierung. Hier kann Sigfox Germany beratend zur Seite stehen oder passende Systemintegratoren weiterempfiehlt.

Für wen eignet sich Sigfox 0G?

Besonders attraktiv ist 0G selbstverständlich für Hersteller und Anwender von Dingen, die bislang Mobilfunk nutzten. Sie können heute nämlich deutlich einfacher Informationen zu weltweit verteilten Assets sammeln und dies über viele Jahre hinweg ohne eigene Wartungskosten und gegenüber Breitband-Mobilfunkanbindung auch noch zu deutlich niedrigeren Energieverbrauch und Kosten. Erforderlich ist hierzu oft nur der Austausch des Funkmoduls, die es auch in Dual-Band Ausführungen für LTE/GSM und Sigfox gibt.

Ein noch größerer Anwenderkreis sind jedoch all die Hersteller und Anwender von Dingen, bei denen selbst die günstigste Mobilfunklösung noch zu teuer war. Dies, weil die Wartung der Batterie die Betriebskosten in die Höhe trieb. Der Instandhaltungsparameter der TCO-Rechnung hat sich aber mit 0G deutlich verändert. Dank wartungsfreier Batterienutzung von bis zu 10 Jahren, die bei Sigfox 0G teils garantiert werden, wenn beispielsweise eine Nachricht pro Tag ausreicht, fällt die Amortisationsrechnung nun deutlich öfter ‚pro Digitalisierung‘ aus.

Klaus Hoffmann, Key Account Manager bei Sigfox Germany