LPWAN: Sigfox Device Engineering
Neue smarte Welt
Smarte Sigfox-Devices sind ein innovatives Applikationsfeld der Elektronikentwicklung: Mit ihnen lassen sich selbst bodenständige, rein mechanische Produkte wie Baggerschaufeln oder Briefkästen mit einer eigenen IoT-Anbindung versehen. Hersteller wie Efco Electronics haben sich auf die Entwicklung und Fertigung solcher industriegerechter Anbindungen spezialisiert.
(Bild: Efco Electronics GmbH)
Warum werden Baggerschaufeln oder Briefkästen noch nicht mit Highspeed-Internet verbunden? Es ist zu teuer, verbraucht massiv Strom und bringt keinen besonderen Nutzen. Gelegentliches Lowspeed-Internet zu geringen Kosten ist dagegen wirklich sinnvoll. Man könnte viele kleine Nachrichten übermitteln, was quasi keine Energie verbraucht. So ließen sich die Devices über Jahre anbinden, ohne Batterien wechseln zu müssen. Mit den gesammelten Daten ließe sich etwa die Material- und Ersatzteilelogistik verbessern oder ganz neue Services und Geschäftsmodelle wie Pay-per-Use könnten entwickelt werden. Eigentümer einfacher Produkte wollen mitunter nur wissen, ob sie noch da sind, wo sie sein sollten, oder ob sie sich bewegen. Sie wollen sie orten und tracken. Mitunter wollen sie auch einfach nur sporadisch über Ereignisse und Zustände informiert werden, beispielsweise bei Über- oder Unterschreitung eines Messwerts. Und geht es um neue Geschäftsmodelle mit gebrauchsorientierten Entgelten, wollen Geräteanbieter die Betriebsstunden ihrer Geräte möglichst einfach erfassen. Solche Nutzungsmodelle erfordern jedoch keine extrem kurzen Datenzyklen im Mikrosekundenbereich. Nur kritische Nachrichten müssen also unmittelbar übermittelt werden können. Bei Füllständen von Tanks reicht das Erreichen oder Unterschreiten eines Schwellenwerts. Es werden oft nicht viele Daten gebraucht, um ausreichend informiert zu sein und bei Ereignissen mit entsprechenden Maßnahmen reagieren zu können.
Neue Netze gesucht
Diese Anforderungen benötigen ein neues, überall verfügbares und einfach zu nutzendes Netz. Es sollte über Grenzen hinweg weltweit nutzbar sein, um global anwendbare Lösungen entwickeln zu können, denn viele Waren werden in der Regel international vertrieben. Genau für solche Anwendungsbereiche wurde das Low Power Wide Area Netz (LPWAN) Sigfox entwickelt, das das lizenzfreie Ultra Narrow Band (UNB) nutzt. Es bietet für die Sensor-to-Cloud-Kommunikation von Devices aller Art ein eigenes Netz mit Basisstationen -ähnlich dem Mobilfunknetz. Im Gegensatz dazu kennt Sigfox keine aufwendig zu handhabenden SIM-Karten und auch keine Roaminggebühren, denn die Tarife werden global auf Lebenszeit mit der eindeutigen ID für das Devices verkauft. Die Logik für die Funkmodule kostet nur rund 2 Euro.
Zukünftig werden sogar Einwegdevices und Einmalverbindungen möglich, deren Logik weit unter einem Euro kosten soll. Sigfox-Devices haben dabei enorme Reichweite – etwa 3 bis 5km in Ballungszentren und 30 bis 50km in ländlichen Gebieten. Übersee sind sogar bis zu 1.000km möglich. Ende 2018 wird man in Deutschland voraussichtlich selbst an Orten, wo selbst heute noch kein Mobilfunknetz verfügbar ist, mit Sigfox Devices funken können. International ist Sigfox bereits in weiteren 37 Ländern vertreten. Das Ziel des Anbieters ist es, in wenigen Jahren eine weltweite Netzabdeckung zu erreichen, um so globale Services anbieten zu können. Trotz hoher Reichweite zeichnen sich Sigfox-Devices auch durch einen geringen Stromverbrauch aus. Dies liegt darin begründet, dass der in der Mobiltelefonie übliche Handshake entfällt und sich Sigfox-Devices stets eigenständig melden. Es besteht also nur eine Verbindung zum Netz, wenn das Device kommunizieren will. So kann man eine IoT-Anbindung über Jahre und Jahrzehnte mit nur zwei AA-Batterien (Mignon) einrichten und Sigfox-Devices auch sehr klein und leicht auszulegen. Selbst preiswerte Wearables sind mit entsprechend kleineren Batterien kein Problem. Diese Form der bei Bedarf erfolgenden Verbindung mit dem Sigfox-Netz ist für Geräte aller Art ein großer Sicherheitsgewinn, denn diese lassen sich nur extrem schwierig hacken. Ein weiterer Sicherheitsgewinn wird auch dadurch erzielt, dass die Datenkommunikation vom Device bis zu den Sigfox eigenen Cloudservern nicht internetbasiert ist und dass die Sigfox-Cloud durch eine Firewall gegen Hacking geschützt wird.
Wie kommt man da rein?
Innerhalb des Sigfox Ökosystems gibt es zahlreiche Serviceanbieter zur Entwicklung der passenden Cloudservices. Im Bereich der Entwicklung der Sigfox-Anbindung der Gegenstände ist das Serviceangebot für OEMs jedoch vergleichsweise limitiert, da hierfür eine ganze Reihe unterschiedlicher Kompetenzen erforderlich ist. So benötigen Hersteller umfangreiches Wissen in der Funktechnologie und im Antennenbau. Hinzu kommt die Expertise für die Entwicklung von Geräten für raue Umgebungsbedingungen mit industriellen oder erweiterten Temperaturbereichen sowie Feuchtigkeit, Schock und Vibration. Eine weitere Anforderung ist das Know-how im Segment der Mikrocontrollerprogrammierung zur Anbindung der jeweiligen Sensorik sowie eine hohe Fertigungstiefe vom PCB bis zum Gehäuse mit Spritzguss, Metall und Glas, etwa beim Wunsch nach Mikrodisplays zur Anzeige kleiner Nachrichten auf dem Device.
Letztlich muss der Hersteller also in der Lage sein, den Kunden vollumfänglich vom Requirement Engineering bis hin zur Produktion einer Großserie durchgängig betreuen zu können. Sigfox-Devices zur Anbindung von Gebinden und Versandverpackungen müssen zudem auch in extrem großen Losgrößen produzierbar sein. Das erfordert eine zuverlässige Produktion mit stabilen Prozessen und Qualitätssicherungsmaßnahmen.
Wer kann’s?
Eines der ersten Unternehmen, das heute eine umfangreiche Expertise im Bereich Sigfox aufgebaut hat und für deutsche OEM industriegerechte Services mit lokalem Support anbietet, ist Efco Electronics. Das Unternehmen betreut europaweit Kunden in allen Belangen von der Pflichtenheftentwicklung bis hin zur Serienproduktion. Erste industriegerechte Sigfox-Lösungen von Efco kommen etwa in der Landwirtschaft zum Einsatz, wo über Beschleunigungssensoren die Betriebsstunden erfasst werden und die Geolokalisierung wahlweise über Sigfox oder GPS erfolgt. Nun peilen die Ingenieure von Efco mit der Anbindung von Baustellengeräten und Anbauteilen für Nutzfahrzeuge weitere neue Märkte für diese bereits applikationsfertigen Lösungsbausteine an, wobei das Einsatzspektrum von der Bauwirtschaft und Logistik bis hin in die Industrie- und Gebäudeautomatisierung reicht, denn selbst Fenster, Türen und Tore können Sigfox-vernetzt werden, da sie genug Hohlräume bieten, in denen sich die Technologie passgenau und unsichtbar unterbringen lässt. „Über das Sigfox-Netz wird es möglich, selbst einfachste mechanische Produkte wie Baggerschaufeln oder Briefkästen an das Internet der Dinge anzubinden“, erklärt Helmut Artmeier, Managing Director der Efco Electronics. „Das macht Sigfox so interessant, denn jedes OEM-Produkt ist einzigartig und braucht eine spezifische Sigfox-Anbindung mit individueller Elektronik und passgenauer Gehäuseauslegung.“
Praktisch ist für OEM die Tatsache, dass das Unternehmen bereits einen funktionierenden Baukasten für unterschiedliche Trackinglösungen entwickelt hat, auf dessen Basis schnell auch weitere OEM-Lösungen entwickelt werden können, bei denen auch weitere Sensorik integrieren lässt. Das Unternehmen ist dabei für jede Branche mit industriellen Robustheitsanforderungen offen und würde sogar Sigfox-Tracker für streunende Bären entwickeln. Die Installation solcher Tracker wolle man verständlicher Weise aber den entsprechenden Experten überlassen.
Autor: Helmut Artmeier,
Managing Director,
Efco Electronics GmbH,
www.efcotec.com
