Lorawan verbessert Ortungsdienste für die Logistik

Wenn es eine Sache gibt, unter der Logistikunternehmen leiden, dann ist dies ein Sichtbarkeitsproblem. In einer idealen Welt wäre es möglich, einen Artikel von dem Punkt an zu verfolgen, an dem er die Hände des Kunden verlässt, bis zur endgültigen Lieferung. Barcodes und RFID haben dazu beigetragen, die Sichtbarkeit zu verbessern, aber das Scannen funktioniert nur an wichtigen Punkten im Netzwerk. Während der gesamten Reise kann viel schiefgehen, ohne dass es bemerkt wird.

Das Internet der Dinge (IoT) und die Logistik sind wie füreinander geschaffen. Es gibt wohl keinen anderen Markt, in dem die Kombination der Hauptmerkmale des IoT so sinnvoll ist. Dies ermöglicht es der Logistik, ihrer idealen Welt der ständigen Sichtbarkeit viel näher zu kommen.

Dazu kann eine Lieferung mit verschiedenen Sensoren versehen sein, die unterschiedliche Funktionen übernehmen: Etwa ein an einer Sendung angebrachter Sensor kann per Funk auf das Internet zugreifen, um Standortdaten in Echtzeit bereitzustellen. Zusätzlich ermitteln Umgebungssensoren, ob der Transport der Gegenstände korrekt verlief. Ein Temperatursensor erfasst zudem Zeiten, in denen Kühlgut zu warm geworden ist. Andere Sensoren zeigen an, ob ein Artikel auf dem Weg geöffnet oder auf andere Weise manipuliert wurde.

Viele Lokalisierungstechnologien stellen Unternehmen vor die Wahl

Für Logistikunternehmen, die sich vom Scannen von Barcodes und Gateways verabschieden möchten, besteht das Problem darin, die passende Variante aus den verfügbaren Techniken zu wählen. Bisher war es für Unternehmen schwierig, Lösungen zu finden, die alle Anforderungen erfüllen. In den meisten Situationen ist wahrscheinlich eine Kombination verschiedener Techniken erforderlich. Selbst dann ist es schwierig, die Anforderungen der Logistik in Bezug auf Kosten, Flexibilität und Leistungsfähigkeit zu erfüllen.

Mit GNSS Fahrzeuge verfolgen

Bild 1: Mixed-Mode-Geolokalisierung in einer Logistikanwendung. Semtech

Um ein Objekt flächendeckend zu verfolgen, liegt es nahe, einen GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) zu integrieren. Ein GNSS-Empfänger nutzt die gleiche grundlegende Technik wie bei Satelliten-Navigationssystemen in Fahrzeugen und kann ein Objekt verfolgen, solange er Sicht-/Funkkontakt mit drei oder mehr Satelliten in der Umlaufbahn hat. Dies eignet sich gut zum Verfolgen von Fahrzeugen, da die Integration im Armaturenbrett ein breites Sichtfeld bietet.

Jedoch ist diese Technik relativ teuer zu integrieren und eignet sich nicht für die Verfolgung einzelner Sendungen oder Paletten, da der Sichtkontakt leicht verloren geht. Ein weiteres Problem des GNSS-Trackers liegt im Stromverbrauch. Um die Position genau zu bestimmen, muss der GNSS-Empfänger über einen längeren Zeitraum aktiv sein, in dem er aktiv auf Satellitenübertragungen wartet. Dies kann eine große Belastung für die Batterie darstellen und eine größere, kostspieligere Lösung erfordern.

Mobilfunknetz nutzt Stärke des Funksignals

Eine weitere Option ist die Nutzung der Mobilfunkinfrastruktur. Standortinformationen, die nur über die Mobilfunknetze übermittelt werden, sind weniger genau als GNSS, aber dennoch nutzbar. In diesen Systemen misst das Gerät die Stärke des Funksignals, das es von nahe gelegenen Mobilfunk-Basisstationen empfängt. Wenn das Gerät weiß, wo sich jeder dieser Masten befindet, kann es berechnen, wie weit es von jedem entfernt ist und anhand dieser Informationen seine Position abschätzen. Allerdings ist diese Technik nicht ganz zuverlässig und Hindernisse können die Signalstärke erheblich verringern, was dazu führen kann, dass das Gerät die Messwerte falsch interpretiert und eine falsche Position erzeugt. Es gibt auch Auswirkungen auf die Nutzungskosten von Mobilfunknachrichten, die für Logistikdienstleister schwer zu verkraften sind.

Für eine Standortverfolgung mit viel kürzerer Reichweite, wie etwa dem Verfolgen von Objekten in einem Lagerhaus, können Bluetooth und WLAN auch die Messung der Signalstärke verwenden. Da heute Bluetooth-Beacons zur Weiterleitung von Kommissionieranweisungen und anderen Informationen an die Lagerbetreiber zum Einsatz kommen, macht es Sinn, dieselbe Infrastruktur zu verwenden, um Sendungen oder sogar einzelne Produkte zu lokalisieren. Hindernisse in der Umgebung eines vollen Lagers oder einer voll ausgestatteten Fertigungsstätte verursachen jedoch Probleme bei der Signalstärkemessung – genau wie bei Mobilfunk-Ortungsgeräten im Freien.

TOF-Prinzip macht Lorawan präzise

Einer der Gründe, warum GNSS so genau ist, besteht darin, dass Berechnungen auf Grundlage der Zeit anstatt der Signalstärke erfolgen. Jeder Satellit hat eine hochgenaue Atomuhr an Bord. Der Empfänger nutzt Vergleiche der Ankunftszeit der von verschiedenen Satelliten gesendeten Taktsignale, um seinen Standort zu bestimmen. Der Vorteil dieser TOF-Messung (Time-of-Flight) ist, dass die Signale unempfindlich gegen Hindernisse sind. Das HF-Signal ist möglicherweise weniger stark, kommt aber zur selben Zeit wie ungehindert an. Das Wide-Area-Netzwerkprotokoll Lorawan (Eigenschreibweise Lorawan, Low Range Wide Area Network) nutzt dieses Konzept und kombiniert es mit einer Analyse der Signalstärke. Damit ergibt sich ein Ortungsdienst, der eine hohe Zuverlässigkeit bei deutlich geringeren Kosten für die Ausrüstung und den Stromverbrauch bietet.

Im Gegensatz zu den meisten Funkprotokollen wurde Lorawan speziell für die Anbindung an das Internet in regionalen, nationalen und globalen Netzwerken entwickelt. Daher bietet die Technologie eine sehr stromsparende Verbindung, kann Geräte aber dennoch auch über große Entfernungen vernetzen – bis zu 30 km von einem Gateway entfernt. Neben der Entfernung durchdringen Lorawan-Signale Wände und reichen sogar bis in unterirdische Keller. Dies ermöglicht den Einsatz von Lorawan in Logistikanwendungen, die andere Lösungen in Frage stellen würden.

Bild 2: Netzwerkbasierte Ortungsdienste vergleichen Signalparameter, die von mehreren Empfängern auf der Grundlage einer einzigen Geräteübertragung erkannt wurden. Semtech

Ein wichtiges Merkmal des Lorawan-Designs, das sich aus seinem IoT-Fokus ergibt, ist die Datensicherheit. Nachrichten auf Anwendungs- und Netzwerkebene verschlüsselt die Technologie getrennt voneinander, um den Schutz zu maximieren. Dieser Sicherheitsansatz garantiert, dass nur gültige Geräte eine Verbindung über ein Gateway herstellen können und dass Geräte Lorawan-Dienste nutzen können, während die End-to-End-Sicherheit der Benutzerdaten erhalten bleibt. Ein zweites Attribut ist, dass für maximale Ausfallsicherheit alle Gateways in Reichweite eines Geräts dessen Nachrichten akzeptieren und verarbeiten. Damit ist ein Geolokalisierungsdienst möglich, der eine Kombination aus geringem Stromverbrauch und – in Regionen mit einer hohen Dichte an Gateways – hohe Genauigkeit bietet.

Ein weiterer Vorteil der Lorawan-basierten Standortbestimmung ist, dass keine speziellen Nachrichten erforderlich sind. Der einzige Schritt, den ein Gerät ausführen muss, um seinen Standort zu bestimmen, ist die Übertragung derselben Pakete, die für die Meldung des Zustands und anderen Daten benötigt würden. Alle Gateways, die den Datenrahmen empfangen, können das Signal auf Standortinformationen hin analysieren. Viele Gateways sind GNSS-fähig und können diesen Dienst nutzen, um die Ankunftszeit sowie ihre eigene Position genau zu melden.

Für eine genaue Positionierung können Gateways Informationen an den Lora-Cloud-Geolokalisierungsdienst weiterleiten. Dabei werden die Messwerte mehrerer Gateways verglichen, um den wahrscheinlichsten Standort des Geräts zu ermitteln.

Cloud-Geolokalisierung erkennt Anomalien

Ein wichtiger Unterschied zwischen der Lora-Cloud-Geolokalisierung und anderen Methoden ist die Verwendung der Cloud selbst. Durch die Verlagerung der Positionsbestimmungsfunktion aus dem Gerät heraus in die Cloud lassen sich fortschrittliche Methoden verwenden, um zuverlässigere Messwerte zu erzeugen. Ein häufiges Problem bei GNSS ist beispielsweise, dass eine einzelne Lokalisierung bis zu 700 m verschoben sein kann. Geräte umgehen dieses Problem, indem sie im Durchschnitt mehrere Lokalisierungen mitteln, was jedoch mehr Energie verbraucht.

Der Lora-Cloud-Geolokalisierungsdienst vermeidet anomale Lokalisierungen, indem er eine fortschrittliche Solver-Technik bereitstellt – etwas, das viel zu energieintensiv und kostspielig wäre, um es auf einem Gerät auszuführen. Die Solver-Technik verwendet maschinelles Lernen und Statistik, um Messwerte herauszufiltern, die nicht mit früheren Schätzungen übereinstimmen. Diese Filterung funktioniert über mehrere Geräte hinweg, um beispielsweise den Einfluss von Hindernissen auf die Signalstärke zu verringern. Je mehr der Dienst verwendet wird, desto genauer wird er insgesamt. Dies ist mit geräteinternen Positionierungsalgorithmen unmöglich zu erreichen.

Das Ergebnis ist eine Geolokalisierungstechnik, die hohe Zuverlässigkeit in einer kostengünstigen, stromsparenden Form bietet. Für Logistikunternehmen, die eine Standortunterstützung für Bewegungen auf ihren Firmengeländen oder über größere Entfernungen benötigen, ist Lorawan möglicherweise die einzige erforderliche Lösung. In der Lieferkette muss eine Sendung jedoch möglicherweise zu bestimmten Zeiten genauer verfolgt werden.

In einer Logistikanwendung durchläuft eine Sendung in der Regel sieben verschiedene Systeme – von den Trackern auf Lastwagen über Warenkörbe in einem Lager bis hin zur endgültigen Auslieferung. Um die Ära des Scannens und Hoffens zu überwinden, kann je nach Standort des Artikels ein einzelner Tag (Etikett) aufgerufen werden, um Fragen zu beantworten. Befindet sich der Artikel auf dem richtigen LKW? Ist er am richtigen Entnahmepunkt angekommen? Wenn er über einen Hub verteilt wird, durch welche Schleuse wurde er weitergeleitet? Auf welchem Förderband befindet er sich jetzt?

Für die hohe Granularität, die in der Lager- oder Hub-Umgebung erforderlich ist, sind Bluetooth-Beacons in einem dichten Netzwerk eine gute Wahl. Mit Lorawan für den Außenbereich und auf Firmengeländen ist diese Kombination eine wenig kostenintensive Lösung. Kombinationen wie diese machen Lorawan zu einer wichtigen Komponente für Integratoren und Anwender, die in der Logistik tätig sind und ermöglichen den Übergang von der heutigen lückenhaften Erfassung zu einer umfassenden Artikelverfolgung.

(prm)