Low-Power Wide Area Networks

Wie sich mit LPWAN die Umwelt überwachen lässt

17. Mai 2022, 7:30 Uhr | Autor: Alistair Fulton / Redaktion: Diana Künstler

Die Optimierung von Ressourcen ist für die Zukunft des Planeten von entscheidender Bedeutung. Die Kombination aus globalen LPWAN-Sensoren, Cloud-Diensten, KI und Maschinellem Lernen kann die Art und Weise verbessern, wie sich die immer knapper werdenden Ressourcen nutzen und schonen lassen.

Die neuesten technischen Entwicklungen bei LPWANs (Low-Power Wide Area Network) bieten die Möglichkeit, alle Arten von Geräten in abgelegenen Gebieten zu überwachen. Die Technik ermöglicht stromsparende Verbindungen direkt zu Satelliten, die mit bestehenden Netzwerken und Cloud-Diensten kombiniert werden können. Dies ist eine leistungsstarke Kombination zur Überwachung von Infrastrukturen und Bereitstellung von Daten, die es ermöglicht, diese Infrastrukturen effizienter zu gestalten.

LPWAN bietet eine stromsparende Technik für die Umweltüberwachung und ist im lizenzfreien 868-MHz-Frequenzband in Europa beziehungsweise 912-MHz-Band in Nordamerika bereits weit verbreitet. Die Physik dieser Sub-GHz-Bänder ermöglicht eine deutlich größere Reichweite als die für Wi-Fi/WLAN und Bluetooth verwendeten 2,4-GHz-Bänder – allerdings mit dem Nachteil geringerer Datenraten. Für die Überwachung ist diese niedrigere Datenrate jedoch weniger von Belang als die Vorteile der längeren Batterielaufzeit, die sich aus dem geringeren Stromverbrauch ergibt. In einigen Fällen gibt es sogar die Möglichkeit, auf die Batterie vollständig zu verzichten.

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Einsatzszenarien aus der Praxis

Bewässerungssysteme verwenden heute Sonnenkollektoren, um Sensorknoten auf Hunderten von Quadratkilometern Wüste mit Strom zu versorgen. Somit erübrigt sich das manuelle Wechseln von Batterien vor Ort. Darüber hinaus werden die an die Cloud und KI-Systeme (Künstliche Intelligenz) gesendeten Daten für automatisiertes Verwalten und Optimieren genutzt, um die Ernteerträge zu steigern, ohne den Einsatz von Düngemitteln erhöhen zu müssen.

Andere LPWAN-Sensoren nutzen KI in Wäldern, um nach Waldbränden Ausschau zu halten. Die Zahl der Waldbrände nimmt weltweit zu und zerstört jedes Jahr Tausende Hektar Wald. Sensoren an Bäumen können den CO2- und Sauerstoffgehalt in der Luft messen und die Temperatur überwachen, um so frühzeitig vor den Bedingungen zu warnen, unter denen Waldbrände auftreten können. Dies gibt Einsatzkräften mehr Zeit, um Präventionsmaßnahmen oder eine effektive Abwehr zu organisieren.

Diese Sensoren müssen jedoch noch mit einem Gateway verbunden werden, das für Sub-GHz-Netzwerke die Verbindung zu einem Kabel- oder Mobilfunknetz herstellt. Neueste Verbesserungen der LPWAN-Protokolle ermöglichen den Einsatz von Sensoren am Boden, die sich direkt mit Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn verbinden. In der LoRa Alliance¹ arbeiten inzwischen fünf Satellitenbetreiber und Netzwerkpartner daran, LPWAN-Sensoren ohne Gateways am Boden zu vernetzen.

Tipp: LoRaWAN World Expo 2022
Das globale Forum für die LoRaWAN-Technik und ihre Anwender findet vom 6. bis 7. Juli in Paris statt. Die Veranstaltung bietet die Gelegenheit, von Experten mehr über den Betrieb von LoRaWAN-Netzwerken, deren Einsatz, Produkte und Dienstleistungen zu erfahren. Auch Alistair Fulton von Semtech wird hier sprechen. Mehr Informationen gibt es hier².

Von Smart Citites und Smart Metern

Die neuen Funktionen, die ein Signal robuster machen, um einen Satelliten zu erreichen, verbessern auch die Effizienz in Smart Cities. Das neue Protokoll verleiht intelligenten Zählern (Smart Meter) eine größere Reichweite und ermöglicht kostengünstigere, stromsparendere Überwachungsgeräte, um den Strom- und Wasserverbrauch zu optimieren, Lecks zu reduzieren und Verschwendung zu minimieren. Die Sensoren können an viel mehr Stellen platziert werden, ohne dass man sich um den Austausch der Batterien und den damit einhergehenden Kosten Sorgen machen muss.

Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency³) werden durch Leckagen in Haushalten jährlich etwa 3,4 Billionen Liter Wasser verschwendet. Durch die Integration von LPWAN in Wassermanagementsysteme und intelligente Wasserzähler lassen sich Bereiche identifizieren, in denen Probleme behoben werden müssen. Dies trägt dazu bei, die Wasserverschwendung zu verringern.

Auch andere Verbesserungen fördern den Einsatz von LPWAN-Netzwerken in der Smart City und in Anwendungen rund um die Lieferkette. Das 2,4-GHz-Band ist in Smart Cities sehr beliebt, da es ein nicht lizenziertes Band ist, das überall auf der Welt verfügbar ist. Dieses Band ist jedoch voll von verschiedenen Netzwerken, die Störungen verursachen können: Wi-Fi/WLAN, Bluetooth, Matter, Zigbee, Thread und proprietäre Systeme sind alle für verschiedene Anwendungen ausgelegt. Ein LPWAN-System, das im 2,4-GHz-Band robuster ist, bedeutet, dass Sensoren, die dieses Band verwenden, überall auf der Welt eingesetzt und mit einer beliebigen Anzahl von Gateways verbunden werden können. Dies trägt auch zu einem geringeren Stromverbrauch bei. Viele Protokolle verwenden eine Architektur zur Erkennung von Kollisionen (mit Wiederholungen) – und überfüllte Bänder bedeuten mehr wiederholte Übertragungen und einen höheren Stromverbrauch. Der LoRaWAN-Standard trägt dazu bei, den Stromverbrauch niedrig zu halten und die Batterielebensdauer zu verlängern.

Die Transportkette im Blick

Dies kann besonders in Lieferketten hilfreich sein. Eine kostengünstige Methode, um zu wissen, wo sich Container/Pakete während des Versandprozesses beziehungsweise Fahrzeuge oder Ausrüstung befinden, ist nur der erste Schritt. Diese Daten lassen sich in Datenbanken speisen, und Maschinelles Lernen kann dann weitere Möglichkeiten zur Optimierung der Lieferkette identifizieren, um diese effizienter zu gestalten. Die erhöhte Effizienz auf der ganzen Welt kann einen großen Beitrag dazu leisten, den Ressourcenverbrauch zu verringern.

So hat zum Beispiel Ercogener in Frankreich eine End-to-End-Lösung zur Bestandsverfolgung entwickelt, die unter anderem den LoRaWAN-LPWAN-Standard nutzt, der von der nationalen staatlichen Eisenbahngesellschaft verwendet wird, um Sendungen über ihr Schienennetz zu verfolgen. Ebenfalls in Frankreich setzt JRI LPWAN-Sensoren ein, die mit der Cloud verbunden sind, um die Temperatur von Kühlcontainern für Supermärkte zu überwachen – sei es vor Ort oder während des Transports. Dies verbessert die Effizienz des Transportsystems und stellt sicher, dass die Temperatur der Sendungen verfolgt und überwacht wird. Damit lassen sich Probleme aufzeigen, bevor sie kritisch werden, und die Verschwendung verderblicher Ware wird verhindert.

Alistair Fulton, Senior Vice President und General Manager, Wireless and Sensing Products Group, Semtech

^{1 https://lora-alliance.org/}
^{2 https://web.cvent.com/event/5e18e59b-618e-4f53-ad6d-5c78527eb1b0/summary

3 https://www.epa.gov/}