Auf dem Weg zu einem smarten Planeten

So sorgt LPWAN-Technik für mehr Nachhaltigkeit

16. September 2022, 14:43 Uhr | Marc Pégulu, Semtech; Redaktion: Kathrin Veigel
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LPWAN-Techniken wie LoRa sind ein wichtiges Element, einen nachhaltigen Planeten zu gewährleisten.
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Da Ressourcen immer knapper werden, wird es immer wichtiger, deren Nutzung zu überwachen. Das hat zur Folge, dass der Bedarf an Überwachungstechnik für eine nachhaltigere Welt rapide steigt. Zu einer solchen Überwachungstechnik gehören zum Beispiel Low Power Wide Area Networks.

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) arbeiten in den Sub-GHz-ISM-Frequenzbändern (Industrial, Scientific and Medical) bei 868 MHz in Europa und 915 MHz in Nordamerika und bieten eine deutlich größere Reichweite als Bluetooth- oder Wi-Fi-/WLAN-Systeme mit einem deutlich geringeren Energieverbrauch.

LPWAN-Technik wie die LoRa-ICs von Semtech und der LoRaWAN-Standard sind für den Einsatz von batteriegestützten und batterielosen Energy-Harvesting-Sensoren mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite konzipiert. Diese Sensoren können Informationen in groß angelegte Big-Data-Systeme einspeisen, die Analysen und Erkenntnisse liefern. Algorithmen für maschinelles Lernen, die hochgenaue Echtzeitdaten verwenden, ermöglichen es Unternehmen, einen flexibleren und agileren Ansatz für die Verwaltung von Ressourcen und die Vorhersage von Anforderungen zu verfolgen.

In der Landwirtschaft können LPWAN-Sensoren Größen wie Feuchtigkeit und Temperatur in allen möglichen Anwendungen überwachen. Die Daten dieser Sensoren sind für eine neue Generation von KI-Analyse-Systemen von unschätzbarem Wert, um die Produktivität landwirtschaftlicher Betriebe zu steigern und Katastrophen wie Hungersnöte oder Überschwemmungen vorherzusagen und zu verhindern.

Große Reichweite und niedriger Energiebedarf

Der geringe Stromverbrauch der LPWAN-Protokolle ermöglicht die Stromversorgung der Sensoren und Gateways per Energy Harvesting. Die große Reichweite von vielen Kilometern macht das Erfassen von Daten über ein großes Gelände hinweg möglich, sei es ein landwirtschaftlicher Betrieb oder eine Mine. Dadurch lassen sich die Kosten für den Aufbau solcher Netze drastisch senken, da die autarken Sensoren genau an der richtigen Stelle platziert werden, um die benötigten Daten zu sammeln. Mesh-Networking-Protokolle leiten die Daten an das Gateway weiter, das die Daten sammelt und an das Analyse-System weitergibt.

Eine neue Generation direkter Satellitenverbindungen erlaubt die weltweite Einführung smarter nachhaltiger Systeme auf Basis des LoRaWAN-Standards. Satelliten im erdnahen Orbit wird es durch eine neue Modulationstechnik ermöglicht, Signale direkt von Sensoren am Boden zu empfangen, was für Sensoren in riesigen landwirtschaftlichen Betrieben und in Minen in abgelegenen Gebieten einen großen Fortschritt darstellt.

Die LPWAN-Technik wird darüber hinaus in Anwendungen des Internets der Dinge (IoT) eingesetzt, zum Beispiel bei der Überwachung von Waldbränden, Wildtieren oder dem Gewässerschutz. Sensoren, die meteorologische Bedingungen wie Feuchtigkeit, Temperatur, Kohlendioxid und die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen an abgelegenen Orten messen, nutzen das LPWAN-Netz, um diese Daten mit dem GPS-Standort zu koppeln.

Die Daten werden in ein intelligentes Dashboard mit integrierter künstlicher Intelligenz (KI) eingespeist und dienen so zur Vorhersage von Waldbränden, Online-Risikoberechnungen, smarte Live-Geländekarten und Echtzeit-Heatmaps.

Durch die Überwachung der Aktivitäten und die Modellierung der erfassten Daten sind Unternehmen in der Lage, mögliche Szenarien vorherzusagen und angemessen zu planen. Dies trägt dazu bei, Ressourcen effizienter zu nutzen und gleichzeitig lebenswichtige Wälder zu schützen.

LPWAN sorgt für hohe Effizienz

Den Energieverbrauch zu senken ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für mehr Nachhaltigkeit. LPWAN ist dabei ein Wegbereiter, um Beleuchtungen und das Management des Stromnetzes effizienter zu gestalten. Sensoren lassen sich im gesamten Stromnetz platzieren, von Laternenmasten bis hin zu Umspannwerken, um das Netz zu überwachen, ohne dass Geräte ausgetauscht werden müssen. Durch maschinelle Lernalgorithmen für die vorausschauende Wartung lassen sich potenzielle Probleme mit Geräten identifizieren, so dass diese ausgetauscht werden können, noch bevor sie ausfallen. Damit wird sichergestellt, dass das Netz so effizient wie möglich arbeitet.

Ein entscheidender Vorteil ist, dass LPWAN-Sensornetze schnell und effizient als Overlay auf die bestehende Infrastruktur aufgesetzt werden können, anstatt auf den Austausch von Geräten zu warten. Dies ermöglicht eine effektivere Überwachung der Ressourcen ohne hohe Investitionskosten.

Bei einem so breiten Spektrum möglicher Anwendungen für eine nachhaltige Welt ist ein großes Ökosystem von Technologieanbietern unerlässlich, genauso wie die Fähigkeiten und das Fachwissen für die Umsetzung durchgängiger Netze. Die Bedürfnisse von Betreibern landwirtschaftlicher Betriebe können sich stark von denen von Bergbau-, Wasser- oder Stromversorgungsnetzen unterscheiden. Die maschinellen Lernalgorithmen sind ebenfalls unterschiedlich und überwachen verschiedene Arten von Mustern, um verwertbare Daten zu liefern – sei es für Landwirte, Wasser- oder Stromversorger.

Breit aufgestelltes LoRaWAN-Ökosystem

LoRaWAN ist jetzt ein international vereinbarter Standard (Y.4480) des ITU Telecommunication Standardisation Sector (ITU-T) und wird von der LoRa Alliance verwendet, die über 500 Unternehmen umfasst. Diese Unternehmen reichen von Sensor- und Gateway-Anbietern bis hin zu LoRaWAN-Netzwerkbetreibern und Systemintegratoren, die alle Elemente zusammenführen können.

Die Effizienz von LoRa bedeutet, dass ein Minimum an Energie verwendet wird, um Daten in das Rechenzentrum zu übertragen. Die Daten werden vom Sensor bis zum Rechenzentrum sicher verschlüsselt, ohne dass das Format in IP-Pakete (Internet Protocol) umgewandelt werden muss, was wiederum den Energieverbrauch verringert. Bei Milliarden gesendeter Datenpunkte macht dies einen erheblichen Unterschied für die Gesamtnachhaltigkeit des Systems aus.

Diese Rechenzentren werden mittlerweile häufig mit erneuerbarer Energie aus Solar- oder Windparks betrieben. Microsoft zum Beispiel hat sich verpflichtet, seinen Cloud-Dienst Azure klimaneutral umzustellen und CO2-Auswirkungen seines Betriebs in den letzten Jahrzehnten zu beseitigen. Andere Betreiber von Rechenzentren nutzen Solar-, Wind- und Geothermie, um die Auswertung der Daten selbst nachhaltig zu gestalten.

Fazit

LPWAN-Techniken wie LoRa sind also ein wichtiges Element, einen nachhaltigen Planeten zu gewährleisten. Die Überwachung der Nutzung wichtiger Ressourcen, von Wasser bis Strom, die Verbesserung der Landwirtschaft und der Schutz der Wälder – all das erfordert zuverlässige Daten. Diese können über die LPWAN-Netze in KI-basierte Analyse-Systeme übertragen werden, die auf einer nachhaltigen Cloud-Infrastruktur laufen. Die verwertbaren Erkenntnisse aus den Daten helfen dabei, die Entscheidungen zu treffen, die für das Wohlergehen der Bevölkerung auf unserem Planeten von entscheidender Bedeutung sind.

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Semtech Marc Pegulu
Marc Pégulu, VP bei Semtech
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Der Autor

Marc Pégulu
ist Vice President Wireless LoRa & IoT bei Semtech.


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