IIoT- und Cloud-Anbindung über ein Funknetzwerk für kleine Datenmengen

Mit dem Sigfox-Funknetzwerk lassen sich von einem Funkmodul kleine Datenpakete mit Zustandsinformationen von Maschinen jeweils im Abstand von 10 Minuten an die Leitstelle des Maschinenbetreibers und/oder an die Remote Monitoring-Lösungen des Maschinenherstellers übertragen. Geeignete Anwendungen sind somit die Erhebung von Betriebs- und Zustandsdaten zur Zustandsüberwachung von Maschinen und deren vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) sowie Remote Management-Konzepte. Im Vergleich zu GSM/LTE-basierten Funkverbindungen sind diese M2M-Funkschnittstellen außerordentlich kostengünstig. Weil das Funknetzwerk bidirektional ist, können Nachrichten auch an die ebenfalls Funkmodule zurückgesendet werden, beispielsweise für Parametrier- und Steuerungsfunktionen.

Energieverbrauch und Laufzeiten

Die Funkmodule von Sigfox benötigen für die Übertragung des Datenpakets kaum Energie und lassen sich somit über viele Jahre mit einer Batterie (ohne Batteriewechsel) betreiben. Die Funkmodule benötigen also keine externe Stromversorgung. Sie können damit ohne Kosten für einen Stromanschluss betrieben werden. Dadurch gestaltet sich das Anbringen von Sigfox-befähigten Sensoren und Aktuatoren an bereits installierten Maschinen und Anlagen besonders einfach und kostengünstig.

So können beispielsweise einfache Sensoren für Temperatur, Helligkeit, Lage oder Bewegung sowie beliebige Kombinationen daraus über Jahrzehnte hinweg Messdaten liefern, ohne dass die Batterie gewechselt werden muss. Wenn nun ein Motorenhersteller beispielsweise seine Getriebemotoren mit Vibrationssensoren zur Lager- und Verzahnungsüberwachung bestückt und diese dann ihre Messdaten zyklisch an die zentrale Cloud übermitteln, dann kann der Motorenhersteller sein Predictive Maintenance-Angebot deutlich kostengünstiger anbieten, als wenn er diese Daten lokal vor Ort ausliest oder über die Infrastruktur des Betreibers sendet. Gleiches gilt natürlich auch für komplexere Geräte oder Maschinen. Einzige Begrenzung sind das Datenvolumen und die Anzahl der erlaubten Funkverbindungen: Bis zu 140 Nachrichten a 12 Byte Nutzdaten kann ein Sigfox-Funkmodul pro Tag senden und bis zu 4 Nachrichten kann es pro Tag empfangen. Diese Begrenzung führt beispielsweise dazu, dass Unternehmen dieses Netzwerk sehr häufig für Alarmmeldungen einsetzen und die Datenanalyse vor Ort halten (auch Mist Computing genannt).

Mit LTE/GSM kombinierte Funknetzwerke

Es gibt auch Anwendungen, bei denen das Low Power Wide Area Network (LPWAN) von Sigfox mit dem bestehenden Mobilfunknetz kombiniert eingesetzt wird. In einer solchen Anwendung werden beispielsweise Alarm-, Zustands- und/oder Betriebsdaten per LPWAN als Default Setting (Standard-Einstellung) gesendet. Wird es aber erforderlich, dass massiv Datenmengen ausgetauscht werden müssen – was über eine LPWAN-Verbindung nicht geht – dann wird die LTE- oder GSM-Verbindung aufgebaut. Eine solch gemischte Anwendung hilft, die LTE/GSM-Verbindungsentgelte zu drosseln (und die Batterielaufzeit der Geräte zu erhöhen). Entsprechende Lösungen, die den Mobilfunk via LTE und via Sigfox kombinieren, sind bereits am Markt erhältlich. So unterstützt der hochintegrierte Single-Chip GDM7243I von GCT Semiconductor beispielsweise die LTE-Kategorie M1 / NB1 / EC-GSM sowie Sigfox. Ganz leicht lassen sich folglich bestehende Lösungen mit SIM-Karte um eine Sigfox-Verbindung erweitern und damit die bestehende Lösung kostensparender gestalten.

Sigfox-Tracker für Paletten und Gebinde gibt es bereits viele, vom reinrassigen Sigfox-Tracker über Lösungen mit WLAN- oder Satellitenortung. Im Bild Tracker von Sayme und Sensolus (oben, v.l.n.r.) sowie Hidnseek und Nash Tec (unten, v.l.n.r.). Sigfox

Ortung/Tracking von Gütern

Neben dem großen Anwendungsgebiet Condition Monitoring / Predictive Maintenance gibt es ein zweites großes Anwendungsgebiet für die Sigfox-Funkmodule: die Material-Logistik. Die Möglichkeit, die geographische Position der Funkmodule zu orten, ergibt sich aus der Zellenstruktur des Netzwerks und aus komplexen Berechnungen und Routinen der empfangenen Funksignale im Backend der Sigfox-Cloud. Über Land ist diese Ortung in etwa kilometergenau und eignet sich damit für die Transport-Logistik von Containern und Behältern oder den Gütern selbst. In Ballungszentren kann die Ortung bis auf 30 Meter Genauigkeit gesteigert werden. Um diese Genauigkeit zu erreichen, werden die Funksingale mit den Standorten der vom Gerät georteten WLAN-Knoten im Backend der Sigfox-Cloud abgeglichen. Sigfox überträgt dann sowohl die Positionsdaten als auch die jeweilige Positionsgenauigkeit an den Besitzer des Funkmoduls. Das Funkmodul benötigt also keine teuren Geräte für die Satellitennavigation (GPS, Glonass oder Gallileo). Dadurch bleiben die Kosten und der Stromverbrauch besonders gering.

Ortung kombiniert mit GPS

Es gibt aber auch Ortungsanwendungen (Tracker) für Sigfox-Funkmodule, die zusätzlich eine Satellitenortung wie GPS integriert haben. Dann erfolgt die Positionsbestimmung bis auf den Meter oder gar wenige Zentimeter genau. Ein Sigfox-Gerät kann nun alle 10 Minuten seine Position versenden, um so ein Bewegungsprofil von Containern, Paletten oder auch Werkstücken in die Cloud zu liefern. Bei besonders hohen Tracking-Anforderungen sind auch Intervalle von 3:20 Minuten möglich; die Datenübertragung erfolgt dann allerdings ohne Sende-Redundanz. Von der Applikations-Cloud können Disponenten und Logistiker dann die Supply Chain-Prozesse für erforderliche Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe sowie Zulieferteile (Fertigungsassets) optimieren – und zwar weltweit, über viele Jahre und mit vergleichsweise geringen Kosten. Zu den ersten Nutzern dieser Anwendung gehört der Flugzeughersteller Airbus: Das Sigfox-Funknetz liefert dem Flugzeugbauer ein genaues Bild, wo sich bestimmte Ersatzteile aktuell befinden – ganz gleich ob sie im Werk, auf der Autobahn oder auf einem der vielen Flughäfen sind, wo die Instandhaltungen ausgeführt werden.

Kontinuierliche Lokalisierung von Gütern

Mithilfe der Funkmodule sind Standort-Informationen von beweglichen Gütern nicht mehr auf einzelne Erfassungs- beziehungsweise Kontrollpunkte wie bei der RFID-Technik beschränkt, etwa bei der Warenannahme oder an Zufuhr-Kontrollstellen in der Fertigung (Fertigungsgates). Mit der funkbasierten Technik von Sigfox lässt sich die gesamte Fertigung jederzeit punktgenau erfassen. Ganz nebenbei bietet die Lokalisierung auch einen Schutz gegen Diebstahl, denn entfernt sich beispielsweise ein Gebinde vom zugelassenen Standort, kann dies selbstverständlich ebenfalls detektiert werden. Stellt man sich zudem einen Sensor vor, der ein statisches Gerät überwacht und sich nur 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.

Die Sigfox-Logik für einmalige IoT Anbindungen –zum Beispiel von Plomben, Öffnungssensoren an Schaltschränken, Gebinden und sogar Briefen – kostet weniger als 1 Euro und wurde im November 2017 auf der Sigfox IoT World Expo in Prag erstmals vorgestellt. Sigfox

Kosten pro Knoten unter einem Euro

Die Kosten für die Funkmodule von Sigfox liegen derzeit bei rund 2 Euro pro Stück. In naher Zukunft wird es noch deutlich preiswertere Modulversionen (sogenannte ‚Admiral Ivory‘-Lösungen) geben, sodass selbst Einweg-Gegenstände damit noch kostengünstiger bestückt werden können. Ein Beispiel für eine derartige Einmal-Anwendung ist die Öffnung eines Briefumschlags wie von Sigfox auf der Anwenderkonferenz ‚Sigfox IoT World‘ im November in Prag gezeigt: Ein auf dem Brief befestigter Sensor meldete seine Öffnung mittels eines derartigen Funkmoduls an das Sigfox-Funknetz, das dann wiederum eine SMS an ein Mobiltelefon verschickte.

Wenn eine solche Einmalverbindung nun deutlich unter einem Euro angeboten werden kann, dann werden damit viele Anwendungen denkbar, die bislang nicht in Reichweite waren. Eine unerlaubte Öffnung eines Schaltschranks könnte genauso gemeldet werden wie das Öffnen eines Gebindes, um die Ersatzbevorratung unmittelbar bei Anbruch des letzten vorrätigen Gebindes auszulösen. So managt der Industriegase-Hersteller Air Liquide bereits mit den derzeit verfügbaren Sigfox-Funkmodulen die Ersatzbevorratung von Gasflaschen bei seinen Kunden. Sinken die Kosten der Anbindung weiter, dann wird man noch mehr und deutlich weniger wertvolle Gerätschaften an das Funknetz anbinden können.

Sigfox-Geräte sind vor Hacks aus dem Internet geschützt, denn das Netz wirkt wie eine Schutzschicht. Sigfox

Datensicherheit ist sehr hoch

Können die Sigfox-Funkverbindungen über das Internet gehackt werden? Und wäre so ein Zugriff auf die angebundenen 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 Sigfox-Netz als solches, so legt es sich wie eine Schutzschicht um das Gerät. Die Kunden-Cloud kann nur über die Sigfox-Cloud, die bereits Bestandteil des Sigfox-Netzes ist, mit den Funkmodulen (und damit den angeschlossenen Geräten oder Maschinen) kommunizieren. Eine direkte Ansprache aus dem Internet heraus ist also nicht möglich. Ab dieser Sigfox-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, sondern proprietär. Sie erstreckt sich von der Sigfox-Cloud über die Funkstationen bis zum Funkmodul. Dadurch ist ein IP-basierter Zugriff auf das Funkmodul unmöglich.

Geräte und Nachrichten werden zudem nach den neuesten Erkenntnissen authentisiert und verschlüsselt. Es müsste somit ein extrem hoher Aufwand betrieben werden, um diese Funkübertragungen zu knacken. Die letzte Hürde würde man dann aber dennoch nicht überwinden können, weil die Sigfox-Funkverbindung einfach immer nur sehr kurzfristig besteht; die Geräte melden sich nur bei Bedarf. Sie sind daher eigentlich immer offline – und damit bestmöglich geschützt. Zudem betreibt Sigfox ein eigenes Network Operation Center (NOC), welches das Netzwerk rund um die Uhr überwacht und es durch ständig aktualisierte Firewalls, Virenschutz- und Intrusion Detection-Systeme schützt. Die Sicherheit vor Hacks aus dem Internet ist bei Sigfox-IoT-Anbindungen sehr hoch. Auch Angriffe mit Störsendern sind sehr schwierig, weil entsprechende Störsender nicht kommerziell erhältlich sind und teuer wären.

Bis Ende 2018 soll das Sigfox-Netz überall in Deutschland verfügbar werden. Aktuell hat die Netzabdeckung (blau) in Deutschland 62 Prozent erreicht. Sigfox

Technik und Kosten des Funknetzwerks

Das Funknetzwerk von Sigfox ist ein sogenanntes Low Power Wide Area-Netz (LPWAN); die Funkfrequenz liegt im kostenfreien ISM-Band bei 868 MHz in Europa. Weil das Funksignal massive Objekte gut durchdringen kann, können die Sende- und Empfangsgeräte – also die Antennenmasten und die Funkmodule – in Ballungsräumen mehrere Kilometer voneinander entfernt sein und auch aus Kellern heraus die Daten senden beziehungsweise empfangen. In ländlichen Regionen beträgt die Reichweite sogar 30 bis 50 Kilometer. Ein eigener Acess Point wird nicht benötigt. Das Funknetzwerk ist technisch gesehen eine Alternative zur bestehenden Mobilfunktechnik wie LTE, denn deren Zellenreichweite ist begrenzter. Die große Reichweite der Funknetzzellen – die insbesondere für ländliche Regionen entscheidend ist – ist aber nicht der einzige Vorteil des LPWAN-Netzes. Auch der Energieverbrauch zum Senden/Empfangen ist bei dem Sigfox-Funknetz wesentlich geringer. Zum Verbindungsaufbau ist nämlich kein ‚Handshake‘ zwischen einem Funkmast und dem Funkmodul erforderlich. Es kann einfach ohne diesen seine Daten versenden und das Netz hört – ähnlich wie ein Radioteleskop – kontinuierlich mit. Zudem erhebt Sigfox keine Nutzungsentgelte vom Anwender. Der Gerätehersteller zahlt die gewünschten Verbindungen vielmehr beim Erwerb der Funkmodul-Lizenz, sodass der Anwender sich um dieses Thema gar nicht kümmern muss. Weil keine SIM-Karten benötigt werden, entfällt auch der Aufwand, diese in Betrieb zu nehmen und zu verwalten. Zudem fallen auch keine Roaming-Gebühren an, wodurch ein weltweiter Einsatz dieser Technik vergleichsweise kostengünstig ist.

(dw)