IoT-Funktechnologien richtig auswählen

Moritz Süß
Diagramm der IoT-Funktechnologien mit ECBM Logo oben rechts
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Inhalt

Wie Brückentechnologien zu Grundpfeilern von IoT-Strategien werden 

Das Internet der Dinge ermöglicht die zentrale Aufzeichnung von Messwerten weit verteilter Sensoren. Die Basis der Datenübertragung sind oft Funktechnologien. Bis 2022, so schätzt das Marktforschungsinstitut Jupiter, wird die Anzahl der angeschlossenen IoT-Geräte und Sensoren auf 50 Milliarden ansteigen, das Marktvolumen auf 561 Milliarden US-Dollar. Dabei wird die Frage der passenden IoT-Funktechnologie immer entscheidender: Es gibt zahlreiche Technologien für spezielle Nischen, nur wenige eignen sich tatsächlich für eine breite Anzahl von Anwendungen. Die Auswahl der besten IoT-Funktechnologie ist daher komplex: Inzwischen werden mehrere reife Produkte für viele Anwendungen günstig angeboten. Eine große Rolle spielen bei diesen Angeboten LPWAN (Low-power, wide area)-Technologien wie LoRaWAN und NB-IoT. Lange wurden diese Technologien als „Lückenfüller“ gesehen, bis andere Technologien wie 5G verbreitet sind. Inzwischen etablieren viele erfolgreiche Projekte diese LPWAN-Technologien als geeignete Basis für langfristige IoT-Strategien. Grund genug, um sie sich näher anzuschauen. 

Was macht Funktechnologien im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge eigentlich so interessant? Die Lösung ohne Kabel lohnt sich etwa um über eine Stadt verteilte Pegelmesssonden anzubinden und auszulesen. Oder in Bereichen, wo sich verkabelte Systeme schlicht nicht lohnen, etwa auf einem großen Betriebsgelände, das nachträglich mit einer Überwachung der Eingangs- und Ausgangslogistik ausgestattet wird. Bis vor kurzem waren viele angebotene Systeme auf dem Markt teuer im Betrieb, da pro Gerät Gebühren an einen Netzbetreiber anfallen (GSM … 4G/LTE). Oder der Ausbau war kostspielig und aufwändig, da ein selbst auszubauendes Netz (WLAN) keine besonders große Reichweite besaß. Für kleinere Bereiche, also etwa innerhalb eines Gebäudes, waren Funktechnologien wie ZigBee aufgrund ihrer geringen Reichweiten geeignet. Sigfox oder ZigBee waren auf spezielle Anwendungen ausgerichtet und nicht für eine breitere, zukunftsoffene IoT-Strategie interessant. Viele dieser existierenden Technologien lohnten sich für manche Anwendungen kaum, weil sie nicht sparsam genug waren, um viele Jahre ohne Batteriewechsel betrieben werden zu können. Oder sie waren abhängig von der Netzverfügbarkeit des Netzbetreibers, was den Einsatz z.B. bei so genannten deep-indoor Anwendungen (z. B. Gaszähler im Keller) erheblich erschwerte. 

Diagramm IoT-Funktechnologien im Vergleich. Auf der Y-Achse der Datendurchsatz und auf der X-Achse die Reichweite.
Die aktuell interessanten IoT-Funktechnologien im Vergleich

IoT-Funktechnologien im LPWAN-Bereich (Low-power, Wide-Area Network) wie LoRaWAN dagegen versprechen hohe Reichweiten, Batterielaufzeiten von mehreren Jahren und die Fähigkeit, sein eigenes lizenzfreies Netz zu betreiben. Ähnlich kann man mittlerweile auch Bluetooth-Mesh-Technologien einsetzen: günstige Sensoren und eine sich mit jedem Endgerät erweiternde Netzabdeckung bei eng ausgebauten Sensornetzwerken.

Auch wenn sich beide Technologien diese Vorteile mit geringerem Datendurchsatz als z.B. WLAN oder 5G erkaufen, interessant bleiben sie allemal. Denn: Die Erfahrung zeigt, die meisten Anwendungen benötigen nicht durchgänig hohe Datenraten.

Auswahl der passenden IoT-Funktechnologie 

Um die passende Funktechnologie für eine langfristig erfolgreiche IoT-Strategie zu finden, bedarf es der Betrachtung einiger Kriterien. Die Marktreife der zur Wahl stehenden Technologien ist für langfristige Vorhaben sehr wichtig. Denn auch wenn eine Funktechnologie hervorragende technische Eigenschaften mit sich bringt, ist sie nutzlos ohne ein Ökosystem von qualitativen Endgeräten und Software. Ein aufgebautes Netz welches keine Sensoren für die geplanten Anwendungsfälle besitzt, verfehlt sein Ziel. Außerdem sollte man auf erprobte und zuverlässige Geräte setzen. Geräte, die noch Kinderkrankheiten mit sich bringen, bei denen also Entwicklungsfehler noch nicht vom Hersteller behoben wurden, kosten – bei der Installation und im Support. Und: Man sollte nur auf solche Hersteller setzen, die einen kompetenten, technischen Support mitbringen. Denn früher oder später erwischt man ein defektes Gerät oder stolpert über einen Firmwarefehler. Leider bieten einige Hersteller keinen technischen Support oder akzeptieren nur die hartnäckigsten Gewährleistungsfälle. 

Neben der Marktreife sollte bei Mobilfunktechnologien unbedingt auch die Verfügbarkeit des Netzes beachtet werden. 5G oder NB-IoT sind immer noch Netze im Aufbau, kommen daher für manche IoT-Anwendungen kaum in Frage. Denn wo kein Netz, auch kein IoT. Allerdings: Bei NB-IoT-Endgeräten ist oft der Rückfall auf andere, weniger energiesparende Mobilfunknetze möglich. Spannend ist nach wie vor LoRaWAN: Das Netz kann dank Lizenzfreiheit selbst durch mittelständische Unternehmen gut selbst aufgebaut werden. Auch Bluetooth-Mesh, z. B. Wirepas, ist eine interessante Lösung für kleinere Netze: Mit wenigen Gateways erweitert sich das Netz durch die Installation weiterer Sensoren selbst. 

Den dritten Punkt, den man bei der Auswahl einer geeigneten IoT-Funktechnologie beachten sollte, sind die Gesamtkosten – also die Kosten aller Komponenten eines Gesamtsystems über ihre Lebensdauer hinweg. Darunter fallen die Anschaffungs- und Installationskosten für Hard- und Software, die Netznutzungskosten, etwa im Mobilfunknetz, welche bei Aufbau eines eigenen Netzes meist günstiger ausfallen, die Lizenzkosten (Software) und natürlich die Wartungskosten. Setzt man bei Lizenzen, z. B. für die IoT-Plattform, auf open source-Lösungen kann man durch gute IT-Architektur und Betrieb Kosten einsparen; auch qualitative Hardware und ein vorausschauendes Management des Systems sorgen für geringere Kosten. Selbst der Batteriewechsel von Endgeräten wird durch geschickte Netzplanung auf viele Jahre verlängert und damit kostengünstiger werden. 

Auch die Zukunftssicherheit ist ein Kriterium, schon die Sensoren-Auswahl sollte mit Weitblick erfolgen. Denn setzt man auf Mobilfunknetze könnten sie mit der nächsten Mobilfunkgeneration unbrauchbar werden, wenn der Netzbetreiber ältere Netze zugunsten der nächsten abschaltet, wie zuletzt mit 3G passiert. Offene Standards und eine große Anzahl von Herstellern führen wahrscheinlicher dazu, dass auch noch lange Zeit neue Geräte entwickelt und angeboten werden, und dass man sich nicht von wenigen Anbietern abhängig macht. Auf der sicheren Seite ist man, wenn die gewählte IoT-Technologie eine hohe Verbreitung bei anderen Organisationen mit ähnlichen Zielen, etwa bei Stadtwerken oder Chemieparks, findet. Das führt in der Regel auch zur Verfügbarkeit von Hardware, Software und Experten, die langfristig unterstützen können. 

Last but not least sollte man die IoT-Technologie auf ihre Eignung für die entsprechenden Anwendungsfälle prüfen. So funktionieren Meshtechnologien z.B. nur dann gut, wenn sich viele Sensoren in überschaubarer Entfernung befinden, etwa in einer Lagerhalle. Für weit verteilte Anwendungen, wie das z. B. in einer ganzen Stadt der Fall ist, eignen sich eher LPWAN-Technologien. Sie sind besonders passend, wenn ein regional begrenzter Bereich abgedeckt werden soll, eine Städteregion, eine einzelne Stadt oder ein Industriepark. 

Herausforderungen bei Hard-und Software

Die ersten Jahre mit neuen Technologien sind immer die schwierigsten. Beispiel: LoRaWAN – eine Low-Power-Wide-Area Network-(LPWAN oder Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk)-Spezifikation für drahtlose batteriebetriebene Systeme in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk. Gerade in ersten Jahren waren viele Hersteller noch unerfahren, die Qualität mancher Produkte (Hardware, Firmware & Dokumentation) eher mangelhaft. Auch die Konfiguration der Sensoren stellte sich oft als fehleranfällig, die Dokumentation als nicht aktuell und zeitintensiv heraus. Und: Es fehlte an entsprechender Standardisierung etwa bei Decodern, also den „Übersetzern“ der sparsam übertragenen Daten in die Messparameter, welche zum Teil von den Herstellern gar nicht erst mitgeliefert waren oder individuell für unterschiedliche IoT-Plattformen entwickelt werden mussten. 

Auch bei den IoT-Plattformen selbst boten sich wenige Optionen: So gab es eher All-in-One-Plattformen, die oft unflexibel und nur für bestimmte Anwendungsfälle ausgelegt waren. Oft waren sie proprietär in starker Abhängigkeit vom Hersteller bzw. zu stark an das Geschäftsmodell des Anbieters gekoppelt. Neben diesen Plattformen wurden auch Open Source-Plattformen entwickelt, welche tendenziell zukunftssicherer sind, eine freie Auswahl von Dienstleistern für Betrieb und Weiterentwicklung bieten und welche auch nach eigenen Prioritäten weiter entwickelt werden können. 

Fehlende Qualifikationen

Neben diesen technologischen Herausforderungen sind viele IT-Abteilungen selbst nicht ausreichend auf den Betrieb eines IoT-Funknetzwerks vorbereitet. So unterscheiden sich die Herausforderungen von IoT-Funknetzwerken mit vielen verteilten, oft statischen Sensoren im Betrieb doch deutlich von z.B. einem internen WLAN. Auch die Netzüberwachung ist nicht simpel: Ist sie doch hersteller- und anwendungsabhängig und muss mit höheren Latenzzeiten und irregulär sendenden Sensoren umgehen können. Außerdem muss der technische Support effiziente Prozesse etablieren und Vorfälle gerade zu Beginn detailliert auf systemische Probleme untersuchen, um diese früh beheben zu können. Sonst können erhöhte Supportaufwände die Vorteile von IoT-Projekten mit der Zeit stark reduzieren. Bei der Netzplanung gilt es, sich an den geplanten Anwendungen zu orientieren und gleichzeitig offen für zukünftige Anwendungen zu bleiben. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass sie ungewohnt große Flächen betrifft. Hilfreich sind hier Planungsmodelle und die Erfahrung aus der Netzplanung im Mobilfunk.  

LoRaWAN – ein Kurz-Plädoyer 

Die IoT-Funktechnologie LoRaWAN ist inzwischen den Kinderschuhen entwachsen und wird insbesondere bei vielen Mittelständlern erfolgreich und gewinnbringend eingesetzt. Es existiert mittlerweile ein großes Angebot fertiger Endgeräte von guter Qualität. Viele Anwendungsfälle sind bereits durch Early Adopter erprobt und die Produkte wurden bereits anhand dieser Erfahrungen verbessert. Auch individuelle Lösungen für bestehende Geräte sind heute möglich, z. B. mit RS485- oder Modbus-Adaptern. Multifunktionale Geräte wie etwa komplette Wetterstationen ermöglichen es darüber hinaus, mit geringem Aufwand bestehende Gerätekategorien ohne eigenen Netzwerkanschluss flexibel einzusetzen. 

Fazit 

Zu Beginn wurden LPWAN und Bluetooth für IoT von vielen als temporäre IoT-Brückentechnologien gesehen. Unsere Erfahrung zeigt: LoRaWAN und Bluetooth-Mesh-Technologien haben sich durchgesetzt. Und: Sie werden auch langfristig erfolgreich bleiben. LoRaWAN überall dort, wo regional ein Netz aufgebaut werden kann, z. B. durch Stadtwerke und Gemeinden. Meshnetzwerke dort, wo lokal eine hohe Sensordichte erreicht wird, z. B. auf dem Firmengelände. Hingegen werden Mobilfunknetze wie 5G auch in absehbarer Zukunft nicht immer die lokal notwendige Abdeckung erreichen und höhere laufende Kosten in größeren Installationen verursachen. 

Eine gut geplante IoT-Architektur ist für viele Technologien offen. Der große Vorteil dabei: Wenn die nächste, bessere Technologie kommt, wird sie einfach an die flexible IoT-Plattform angeschlossen.  

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