Kategorie: Internet, Netzwerk

IoT – das Internet der Dinge

Beispiele für IoT - Internet of Things

Vorgeschichte

Der Anfang - vom Fliehkraftregler zur IoTBis zu dem Begriff IoT, den Internet of Things, gibt es eine lange Entwicklungsgeschichte. Messwerterfassungen und Regelungen gibt es schon recht lange, nehmen wir nur mal zur Einstimmung das anschauliche Beispiel des Fliehkraftreglers einer Dampfmaschine. Steigende Rotation dieses Reglers erzeugt eine steigende Fliehkraft und somit eine Gegenkraft, welche genutzt wurde, um die Drehzahl einer Dampfmaschine konstant zu halten.

Im Fortschreiten der Industrialisierung kam dann bald die Elektrizität mit ins Spiel und auch hier waren wieder Erfassungen von Messwerten und entsprechende Regelungen gefragt. Es entstanden die elektrischen und später die elektronischen Bauteile, welche die gesamte weitere Entwicklung der Technik ermöglichten.

Im Laufe der Zeit gab es immer neue Herausforderungen an die Messwerterfassung und die Schaltung oder Regelung von Stellgrößen und auch der örtliche Abstand von Sensor und Erfassung wurde immer größer. Mit der Entwicklung der Raumfahrt wurde die Telemetrie geboren, umfangreiche Messwerte und Fernsteuerungen wurden nach einem ausgeklügelten System per Funk übertragen, visualisiert und weiterverarbeitet. Als Fortführung heute gebräuchlich, z.B. im häuslichen Bereich sind Funkschalter, ferngesteuerte Heizkörperthermostate, kabellose Türklingeln und Videokameras, automatische Rollos, alles Systeme welche im Haus nicht mehr per Draht sondern per WLAN angebunden sind und als Smarte Technologie bzw. Smart Home bezeichnet werden.

IoT

Die aktuelle neue Herausforderung an die Datenübermittlung über größere Entfernungen als sie mit WLAN zu realisieren ist, hat ein neues System notwendig gemacht und so ist das entstanden, was unter dem Oberbegriff IoT zusammengefasst wird. Die Bezeichnung Internet of Things wird für ein System von vernetzten Geräten, Maschinen oder Anlagen über das und mit dem Internet genutzt. Eine allgemein gültige Definition gibt es derzeit für den Begriff IoT nicht, aber wichtig ist, dass die damit verbundenen Dinge immer eindeutig identifizierbar sein müssen.

Hierbei entwickeln sich parallel unterschiedliche Funkstandards, die für unterschiedliche Zwecke gerade in Bezug auf die Reichweite zum Einsatz kommen können. Für kürzere Strecken bis 10 Meter wird gerne Bluetooth verwendet. Für Reichweiten bis 100 Meter kommen die Verfahren von WIFI / WLAN, Zigbee, Z-Wave oder auch Thread zur Verwendung. Darüber hinaus für den öffentlichen Bereich etabliert sich neben LTE das LoRaWAN.

IoT via LTE (Long Term Evolution)

Diese Technologie auf Basis von Mobilfunk wird angewendet beispielsweise für

  • Fahrstuhl Notruf bei Stromausfall
  • Gesundheitsmonitoring / Patientenüberwachung
  • Fahrzeugüberwachung Fuhrpark

IoT via LoRaWAN (Long Range Wide Area Network)

IoT mit LoRaWAN-DarstellungDieser noch relativ neue Standard aus dem Jahr 2015 in der Version 1.0 nutzt eine sternförmige Vernetzung. Die LoRa-Sensoren oder LoRa-Endgeräte kommunizieren mit den LoRa-Gateways. Diese senden die empfangenen Daten dann an einen LoRaWAN-Server. Dabei wird ein zweifach 128-Bit AES verschlüsseltes und patentiertes Protokoll nach dem LoRa-Übertragungsverfahren auf der Bitübertragungsschicht des ISO/OSI-Referenzmodells genutzt.

 

Das Protokoll wird von der gemeinnützigen LoRa Alliance weiterentwickelt und wurde im Oktober in der derzeit aktuellen Version 1.04 veröffentlicht. Der LoRa Alliance gehören unzählig viele Anbieter nicht nur für Hardware, sondern auch für Software und Services an.

Passend zur Open Source Strategie der NMMN sind die Software-Grundmodule als Open-Source-Software implementiert und damit frei verfügbar.

IoT via LoRaWAN wird angewendet beispielsweise für

  • Rauchmelder / Feuermelder / CO2 Melder an Alarmzentrale / Feuerwehr
  • Kalorimeter zur zentralisierten Heizkörperablesung
  • Wasserzähler / Stromzähler Fernablesung in Echtzeit
  • Elektroroller finden zum Aufladen
  • Müllcontainer Standort und Füllstand
  • Umweltdaten für die Landwirtschaft
  • Wetterdaten großflächig erfassen
  • Parkplatz frei / belegt für Parkplatz APP
  • Staumelder / Fahrzeugzählung

kleines Beispiel – Temperatur und Luftfeuchtigkeit Sensor

Kommentierte Zusammenkürzung aus den übertragenen Nutzdaten und Begleitdaten eines Sensors:

"time": "2022-04-19T09:27:14.393752760Z" (Datum, Uhrzeit)

"application_id": "sensors-nk" (Name des Auswertungsprogramms)

"device_id": "eui-a840419d8183cff1" (Gerätenummer)

"dev_addr": "260B65C7" (Geräteadresse)

"f_cnt": 7847 (laufende Numerierung der Datenübertragung des Sensors)

"decoded_payload": (vom IoT Server dekodierte Nutzdaten)

"BatV": 3.016 (Batteriespannung des Sensors)

"Hum_SHT": 56.8 (relative Luftfeuchtigkeit in %)

"TempC_SHT": 10.74 (Temperatur in Grad Celsius)

"latitude": 53.409410384716324 (Längengrad)

"longitude": 9.922518944731447 (Breitengrad)

"altitude": 45 (Höhe)

"bandwidth": 125000 (Bandbreite)

"frequency": "868500000" (Sendefrequenz)

"timestamp": 3408661691 (Uhrzeit des Empfangs)

"brand_id": "dragino" (Gerätehersteller)

"model_id": "lht65" (Gerätetyp)

"band_id": "EU_863_870" (Frequenzband Europa)

"unique_id": "01G10JBFPSZCJH2AK1EK8EXW2N" (eindeutige Kennung der Sendung)

LoRa Sensoren

Je nach Standortbedingungen haben LoRa-Sensoren oder LoRa-Endgeräte eine Reichweite von bis zu 20 Kilometern (in idealer freier Sicht von Antenne zu Antenne) und ca. 2 Kilometer im städtischen Bereich und das bei einer Sendeleistung von generell maximal 25 mW.

LoRa Gateways

Gleiches gilt für die LoRa-Gateways. Sie verfügen über eine LoRa-Antenne und natürlich über einen Internet Connect via Kabel oder WLAN. Sie können also exponiert innen oder aussen positioniert werden, um am Standort ein Maximum an Abdeckung im Sende- und Empfangsbetrieb zu erreichen, denn es werden nicht nur Daten vom Sensor empfangen, sondern es besteht auch die Möglichkeit, Befehle und Daten an den Sensor zu senden.

LoRa Server

Die Verarbeitung der Daten findet im Idealfall in einem ausfallsicheren Rechenzentrum statt. Hier sind sogenannte LoRa-Server im Einsatz, welche die Daten der LoRa-Gateways über das Internet entgegennehmen und den entsprechenden weiterverarbeitenden IT-Systemen zur Verfügung stellen.

NMMN

Die LoRa-Server sollten möglichst redundant abgesichert sein und z.B. auf Basis dedizierter hochverfügbarer Cluster, wie wir diese in der NMMN Hosted Private Cloud bereitstellen, betrieben werden.

Wir bieten Ihnen in unseren Rechenzentrumsstandorten in Hamburg, Frankfurt, Berlin und Düsseldorf ideale Voraussetzungen für den sicheren Betrieb Ihrer LoRa-Server mit hochverfügbarer und multiredundanter Internet-Anbindungen via HSRP und natürlich auch der Möglichkeit der sicheren privaten Punkt-zu-Punkt Verbindung über eine Glasfaser-Standleitung zu Ihrem Unternehmensstandort.

Möchten Sie mehr erfahren, dann setzen Sie sich gerne mit uns in Verbindung.

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