Sensor-to-Cloud-Kommunikation mit Sigfox

Eine Geolokalisierung ist für eine Vielzahl von Objekten von Interesse. Ein großes Anwendungsfeld ist etwa die Logistik. Hier wird zum einen der Einsatz von Fahrzeugflotten optimiert, um den Return-on-Investment in den Fuhrpark zu steigern. Zum anderen lassen sich Container, Gebinde und teure Güter lokalisieren, um deren Bewegungsmuster zu tracken. Im Sicherheitsbereich ist die Geolokalisierung ein wichtiger Bestandteil der Asset-Überwachung beziehungsweise kann auch bei Entwendung zur Wiederauffindung dienen.

Die Kombination von Standortdaten eines Devices mit weiteren Sensordaten sorgt für zusätzlichen Nutzen. Beispielweise lässt sich die Füllstandmessung mobiler Abfall- und Wertstoffcontainer mit der Flottenlogistik des Entsorgungsunternehmens verknüpfen. Auch in der Nachschubversorgung mobiler Gebinde – wie beispielsweise CO₂-Gasflaschen – kann die Geolokalisierung ebenso genutzt werden wie für vorrausschauende Instandhaltungslösungen, bei denen der Standort der Geräte und Maschinen sich stetig verändert, wie beispielsweise in der Bauwirtschaft. Neben diesen standortübergreifenden Outdoor-Funktionen gibt es auch im Indoor-Segment vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für das Track & Trace von Objekten.

Entwickler, die Applikationen mit Geolokalisierung entwickeln, stehen bei all diesen Applikation vor der Herausforderung, zum einen die Sensorik definieren zu müssen, mit der sie die Geolokalisierung umsetzen wollen. Zum anderen ist auch die Frage zu klären, wie sich die Sensor-to-Cloud Kommunikation regeln lässt.

Alternative zu GPS

Bild 1: Das Sigfox-Netz kann über den sogenannten „kooperativen Empfang“ die Position eines jeden Sigfox-Devices bestimmen. Sigfox

Bei der Geolokalisierung im Outdoor-Bereich sind heutzutage bereits vielfach GPS-Sensoren die erste Wahl und deshalb heute auch schon weit verbreitet. Sie können hoch präzise Standortdaten liefern, die je nach Technologie wenige Meter oder gar auf den Zentimeter genau sind. Ein wenig problematisch ist bei den GPS-Sensoren jedoch neben den zusätzlichen Bauteilkosten für Empfänger und Antenne – die übrigens immer nach oben gerichtet sein muss und nur im Freien funktioniert – auch der Energieverbrauch. Insbesondere bei Sensoren, die extrem lange autark betrieben werden sollen und deshalb eine lange Batterielaufzeit über Jahrzenten hinweg benötigen. Besser wäre es hier also, wenn man eine noch stromsparendere Technologie hätte, die sogar noch günstiger zu realisieren ist, was besonders bei preissensitiven Applikationen von großem Nutzen wäre.

Die Messung der Standortinformation aus einer Funknetzzelle stellt hierbei einen gangbaren Weg dar. Bekannt ist eine solche Lokalisierung schon aus dem GSM-Netz. Dieses Verfahren liefert allerdings nicht ganz so präzise Daten wie ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS). Dafür kann ein Sensor für GPS, GLONASS oder Galileo entfallen, was Kosten und Strom spart. Eine solche Lösung nutzt das global im Ausbau befindliche Sigfox-Netz als zukunftsweisende Alternative.

Mit den Basisstationen des Sigfox-Netzes kann man nämlich eine Ortung von Objekten durchführen, ganz ohne zusätzlichen Sensor. Bei Sigfox werden die Datenpakete von allen Basisstationen im Sendebereich empfangen. Darüber lässt sich die Position des Devices bestimmen (Bild 1). Das läuft automatisch parallel zu der eigentlichen Kernfunktion von Sigfox, der Datenübermittlung in die Cloud.

Technischer Steckbrief

Bild 2: Sigfox nutzt eine flache Topologie mit nur drei Ebenen: Device-, Basisstations- und Cloud-Ebene. Sigfox

Sigfox ist ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) und speziell auf kleine Datenpakete und einen sehr stromsparenden Betrieb ausgelegt. Sigfox nutzt 192 kHz des öffentlich verfügbaren Bands von 868,13 bis 869,525 MHz in Deutschland, um Nachrichten per Funk auszutauschen. Die Modulation erfolgt über die Ultra-Schmalbandtechnologie. Jede Nachricht hat eine Bandbreite von 100 Hz und wird mit einer Datenrate von 100 bits pro Sekunde übermittelt. Dadurch können Sigfox-Basisstationen über weite Entfernungen kommunizieren, ohne von Störungen beeinträchtigt zu werden. Die Reichweite einer einzelnen Basisstation, die bis zu einer Million Sensoren verwalten kann, beträgt 3 bis 5 km in Ballungszentren und 30 bis 70 km in ländlichen Gebieten.

Für eine besonders zuverlässige Datenübermittlung werden die Nachrichten dreimal auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet. Kunden bekommen die gesamte Infrastruktur – von den Devices bis zu ihrer Cloudlösung ­– bereitgestellt und müssen daher nicht in eine eigene Infrastruktur investieren. Zudem nutzt Sigfox eine flache Topologie mit nur drei Ebenen: Device-, Basisstations- und Cloud-Ebene. Diese flache Architektur von Sigfox ist entscheidend, um sowohl Betriebs- als auch Investitionskosten für Kunden noch weiter minimieren zu können (Bild 2).

Jahrzehnte im Betrieb

Bild 3: Der geringe Stromverbrauch von Sigfox-Funkmodulen erhöht die Batterielaufzeit erheblich. Sigfox

Ein großer Vorteil von Sigfox ist, dass die Technik weniger Energie für den Verbindungsaufbau benötigt als klassische Mobilfunknetzwerke. Im direkten Vergleich verzichtet Sigfox nämlich auf das Pairing des Devices mit der Antenne. Es wird keine Synchronisationsnachricht vor der Nachrichtenübermittlung zwischen dem Device und den Basisstationen ausgetauscht. Auch ist der Ruhestrom der Sigfox-Funkmodule mit wenigen Nanoampere und einem Strombedarf von nur 10 bis 50 Milliampere bei der Funkübertragung sehr gering (Bild 3).

Bild 4: Schematischer Aufbau einer Sigfox-Lösung mit Lokalisierungsfunktion. Sigfox

Somit kann man Devices zur Geolokalisierung entwickeln, die eine deutlich längere Batterielaufzeit haben. Bereits heute werden Lösungen angeboten, die sich beispielsweise über zehn Jahre hinweg und noch länger mit lediglich zwei AA-Batterien betreiben lassen. Zudem kostet ein Sigfox-Modul aktuell nur rund zwei Euro. Die geringen Kosten der Bauelemente, die nicht anfallenden Entgelte für Einzelverbindungen oder Nutzlasten sowie die sehr langen Standzeiten der Devices ohne Netzanschluss machen Sigfox zu einer disruptiven Technologie – sie besitzt also das Potenzial, bestehende Lösungen vom Markt verdrängen. Zielmärkte sind alle Applikationen, bei denen eine Standortbestimmung von einigen hundert Metern Genauigkeit und bis zu 140 Standortmeldungen pro Tag hinreichend sind – somit kann maximal alle zehn Minuten eine Meldung erfolgen (Bild 4).

Lokalisierung als Direktintegration

Die integrierte Geolokalisierung reicht im Prinzip für alle bereits genannten M2M-Applikationen aus. Die dabei erforderliche Sensor-to-Cloud-Kommunikation lässt sich mit Sigfox besonders einfach und günstig umsetzen und ist zudem auch durch das eigene Netz, das Cloud und Device verbindet, auch besonders sicher vor Angriffen. Daneben gibt es natürlich auch viele Sigfox-Devices mit GPS-Sensor, denn manche Applikationen brauchen nun mal präzisere Daten, als die, die über die Triangulation von Sigfox möglich sind. Für Outdoor-Applikationen gilt also: wenn Geolokalisierung, dann entweder über Sigfox-Triangulation oder alternativ mithilfe eines Sigfox-befähigten GNSS-Empfängers. Für viele Anwender dürfte aber auch ein Mischbetrieb sehr interessant sein, wenn die GNSS-basierte Geolokalisierung zeitweise keine Daten liefern kann, weil beispielsweise der Empfang im Innern eines Lkws gestört ist. Beim Mischbetrieb können Logistiker ihre Sendung nahtlos nachverfolgen. Mit einer reinen GNSS-Ortung wäre entweder sehr viel mehr Aufwand nötig oder die Logistiker würden erst beim Ausladen erfahren, ob die Ware an dem vorgesehenen Ziel angekommen ist.

Die Argumente, die für die Outdoor-Applikationen gelten, gelten aber natürlich auch für die Indoor-Kommunikation. Da das Sigfox-Signal mit 868 bis 869 MHz in einem Frequenzbereich liegt, der selbst durch Wände wenig gedämpft wird, ermöglicht es auch „Deep Indoor“-Applikationen – also im tiefsten Keller – eine gute Netzabdeckung, um zum Beispiel Daten von smarten Zählern zu übertragen.

Bei der Geolokalisierung in Gebäuden ist Sigfox deshalb als Gateway zur Cloud zu empfehlen. Hier gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: mit Sigfox-Konnektivität entweder im mobilen Device oder in den stationären Beacons. Für ersteres wird im Sigfox-Device ein zusätzlicher sparsamer WLAN-, Bluetooth-LE- oder NFC-Empfänger genutzt, durch den sich stationäre Funknetze erfassen lassen und daraus die Position ermittelt wird. Die Positionsgenauigkeit hängt dabei von der Dichte der stationären Beacons beziehungsweise Sender ab.

Die WLAN-Lokalisierung ist dabei eine intrinsische Funktion von Sigfox und sehr komfortabel. Sigfox übermittelt nämlich direkt auf Basis einer internen BSSID-Datenbank für WLAN-Netze Position und Positionsgenauigkeit, sodass OEMs alle Informationen fertig aufbereitet erhalten. Der zweite Ansatz integriert die Sigfox-Konnektivität in die lokalen, stationären Beacons. Kommt ein Device in die Nähe eines oder mehrerer dieser Sigfox-Beacons, werden sie über BLE oder NFC erfasst und eine Meldung über das Sigfox-Netz abgesetzt. Daraus lässt sich dann eine hoch präzise Lokalisierung und Geofencing-Funktionalität im Nahbereich umsetzen. Und wer andere Funkprotokolle im Nahbereich nutzen will, der kann das ebenfalls tun, denn Sigfox kann an jedem lokalen Netz zum Einsatz kommen und Zustandsdaten an die Cloud übermitteln, ohne direkt mit dem Internet verbunden zu sein.

Über Landesgrenzen hinweg

Ein großer Vorteil von Sigfox ist, dass es auch im grenzüberschreitenden Einsatz zuverlässig arbeitet – und das anders als bei SIM-basierten Systemen ganz ohne zusätzliche Kosten oder Roaming-Aufschläge bei weltweitem Einsatz. Bereits jetzt ist das Sigfox-Netzwerk in 33 Ländern präsent. Bis 2018 sollen über 60 Länder abgedeckt sein und mehr als 471 Millionen Menschen erreicht werden. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass bereits heute renommierte Anwender wie Airbus oder Air Liquide auf die Sigfox-Technik setzen. Im Bereich des Trackings nutzt Airbus etwa den Geolokalisationsservice von Sigfox über eine Lösung vom belgischen Anbieter Sensolus, um seine Ersatzteillogistik europaweit zu kontrollieren und gleichzeitig zu optimieren. Die Bestände sollen in einem zentralen, übergeordneten Ersatzteilelogistiksystem disponiert werden. Deshalb ist es wichtig, dass der Standort eines jeden Ersatzteils jederzeit bekannt ist. Dies bedeutet nicht nur in den Lagern an den Flughäfen, sondern auch im Rolling Stock – also den Lkws auf den europaweiten Autobahnen.

Air Liquide will Sigfox zum Aufbau einer intelligenteren Beschaffungslogistik für CO₂-Flaschen nutzen, die Fast-Food-Ketten für die Zapfanlagen ihrer Softdrinks einsetzen. Die vom Servicepartner Alizent entwickelte Sigfox-Konnektivität erlaubt es dem Gasanbieter, präzise Daten über die verteilten Bestände an Mehrwegflaschen zu erheben. Diese Informationen bieten Air Liquide erstmals Einblicke in seine Wertschöpfungskette, bis hin zu den verteilten Theken der Kunden. Möglich werden so auch Serviceangebote für Vendor Managed Consumables, sodass Kunden ihre selbstgemanagten Pufferlager abbauen können. Air Liquide könnte also eigenständig die Verfügbarkeit beim Kunden sicherstellen. Und Kunden werden so von Bestandsmanagement- und Dispositionsaufwendungen entlastet.

Ganz nach Bedarf

Die Geolokalisiering ist bei Sigfox eine Leistung, die inklusive ist – die also keine spezifischen Entwicklungskosten beim Device produziert. OEMs können diesen Service als Feature der Sigfox-Konnektivität hinzu buchen und ihren Kunden bedarfsgerecht zur Verfügung stellen. Die Kosten für diese Funktion sind übrigens vergleichsweise gering und werden lediglich als Prozentsatz der OEM-Abonnementsgebühren der Sigfox-Konnektivität berechnet. Ob und wie Endanwender überhaupt Gebühren bezahlen müssen, entscheidet alleine der Serviceanbieter. Er kann sein Produkt beispielsweise so kalkulieren, dass bei Kauf alle Kosten bezahlt sind. Der Sensor für einen smarten Container wird beispielsweise in der Anschaffung kaum ins Gewicht fallen. Viele Services werden jedoch vermutlich über die Laufzeit monetarisiert werden und bei diesen werden die Netzkosten in den meisten Fällen eine vergleichsweise geringe Rolle spielen.

(ku)