Die meisten Gebäude, vor allem Wohngebäude, sind nicht verkabelt, um ihre bestehenden Systeme wie HLK-Anlagen, Aufzüge, Sicherheitskameras und andere Geräte zu verbinden. Drahtlose IoT-Geräte, die Technologien wie LoRaWAN oder NB-IoT nutzen, können dabei helfen, neue Geräte und Sensoren anzuschließen und bestehende nachzurüsten.
Das Anschließen neuer Sensoren und Kontrollsysteme an bestehende Anlagen ist eine Herausforderung. In den meisten Fällen war jedes Gerät, jeder Aufzug, jede Klimaanlage und jedes Sicherheitssystem mit einer eigenen Anschlussmöglichkeit ausgestattet, wenn überhaupt.
In den letzten drei Jahrzehnten haben viele Gebäudeeigentümer ihre Anlagen so verdrahtet, dass diese Systeme aus der Ferne gemanagt werden können, von einem Kontrollraum oder von mehreren Bedienfeldern aus. Dieser Ansatz ermöglicht zwar Informationen in Echtzeit über den aktuellen Zustand verschiedener Gebäudesysteme, aber wertvolle Daten über den Betriebszustand, den Verschleiß von Komponenten, die Umgebungsbedingungen usw. werden nur unzureichend erfasst.
Um die Vorteile der Analytik und Automatisierung zu nutzen, müssen die Infrastrukturen mit Sensoren und anderen intelligenten Geräten ausgestattet und mit konsolidierten Kontrollsystemen verbunden werden.
Bei der Planung eines neuen Gebäudes ist es wichtig zu entscheiden, welche Art von Konnektivität benötigt wird. Zwar sind die meisten neuen Einrichtungen für kabelgebundene Verbindungen vorbereitet, doch sollten auch Mobilfunk- und andere drahtlose Netze in Betracht gezogen werden, um verschiedene Arten von Geräten, insbesondere batteriebetriebene Sensoren, zu ermöglichen.
Darüber hinaus könnten drahtlose Verbindungen die beste Lösung für die Verbindung verschiedener Systeme in älteren Gebäuden sein, da der Aufwand für die Verkabelung der Infrastruktur unübersichtlich und kostspielig sein könnte und nicht alle Bereiche des Gebäudes erreicht werden können.
Neue Mobilfunktechnologien, die speziell für IoT konstruiert wurden
Die rasche Zunahme der Zahl der IoT-Geräte und der Energiebedarf für die Verbindung von Milliarden solcher Geräte verlangen nach stromsparenden Kommunikationstechnologien.
Bis zur Einführung von LTE (Long Term Evolution), allgemein als 4G bezeichnet, nutzten die meisten drahtlos verbundenen Geräte Wi-Fi oder 2G-Mobilfunknetze zum Senden und Empfangen von Daten. Auch heute noch nutzen einige Geräte, vor allem Sicherheitskameras und Überwachungssysteme, 2G, das in den meisten Regionen weltweit verfügbar ist.
Vor zehn Jahren begann mit 4G ein Wandel. Der neue Mobilfunkstandard war der erste, der die Datenübertragung über die herkömmliche Sprach- und Textkommunikation stellte. Darüber hinaus ermöglichten die verschiedenen 4G-Versionen zusätzliche Funktionen wie Carrier Aggregation und stromsparende Kommunikation.
Die explosionsartige Zunahme neuer IoT-Geräte, insbesondere von Sensoren für Industrie- und Gebäudeanwendungen, erforderte neue Funktionen für Mobilfunknetze, wie z. B. stromsparende, flächendeckende Konnektivität und einfaches Onboarding neuer Geräte.
Der erste Teil, die stromsparende Konnektivität, kam 2016 mit zwei neuen 4G-Standards, die Betreiber in bestehende Netze einbauen konnten: LTE-Maschinentyp-Kommunikation (LTE-M) und Narrow-Band IoT (NB-IoT). Beide wurden in der 3GPP Release 13 definiert, die im Juni 2016 zum Standard wurde.
LTE-M und NB-IoT verwenden kleine Datenpakete über 4G-Netze. Der Vorteil von LTE-M gegenüber NB-IoT ist die vergleichsweise höhere Datenrate, Mobilität und Sprachübertragung über das Netz. Dennoch benötigt LTE-M mehr Bandbreite und ist für die Gerätehersteller teurer. NB-IoT bietet einen geringeren Stromverbrauch und billigere Modems, unterstützt aber weder Sprache noch SMS.
Die Betreiber bevorzugen LTE-M, weil es nur eine Softwareaktualisierung in ihren Netzen erfordert. Gerätehersteller, die keine SMS oder Sprache benötigen, bevorzugen jedoch NB-IoT aufgrund des geringeren Stromverbrauchs und der günstigeren Modems.
LTE-M ist in Nordamerika weit verbreitet, aber die Betreiber bieten jetzt auch NB-IoT-Konnektivität an.
Die zweite Herausforderung, das einfache Onboarding neuer Geräte, wird durch ein embedded Subscriber Identity Module (eSIM) erreicht. Bis zur Einführung der eSIM-Spezifikation der GSMA benötigte jedes an ein Mobilfunknetz angeschlossene Gerät einen Schacht und einen Steckplatz für ein SIM-Modul aus Kunststoff, wie es in allen Smartphones vorhanden ist.
eSIMs, die so klein wie ein Stecknadelkopf sind, und integrierte SIMs (iSIMs), die in andere Chips eingebettet sind, ermöglichen es den Geräteherstellern, kleine Geräte zu entwickeln, die von den Betreibern nach der Installation Over-the-Air (OTA) mit den Zugangsdaten des Mobilfunkanbieters versehen werden können. Es sind keine manuellen Eingriffe erforderlich.
Die Hauptvorteile der Verwendung von Mobilfunkverbindungen für intelligente Geräte sind die Verfügbarkeit von Mobilfunknetzen und die bessere Sicherheit. Heute arbeiten weltweit Tausende von Mobilfunknetzen mit denselben Standards, und die Kommunikation wird mit hardwarebasierter Sicherheit, den SIM-Modulen, verschlüsselt. Die Hauptnachteile sind jedoch der hohe Stromverbrauch im Vergleich zu anderen LPWANs und die Kosten – sowohl für das Gerät als auch für die an die Mobilfunkanbieter zu zahlenden Nutzungsgebühren.
Nicht-zelluläre LPWANs senken Kosten und Stromverbrauch
Die wahrscheinlich häufigste drahtlose Verbindung in einem Gebäude ist WLAN. Da dieser drahtlose Standard allgegenwärtig ist, eignet er sich ideal für die Verbindung der vielen Geräte, die mit einem WLAN-Modem ausgestattet sind. Thermostate, Sicherheitskameras, Klimaanlagen und viele andere intelligente Geräte können problemlos mit einem WLAN-Zugangspunkt verbunden werden.
Alles über WLAN zu verbinden, ist jedoch mit einigen Herausforderungen und Unannehmlichkeiten verbunden. Die WLAN-Reichweite ist stark eingeschränkt, und die Signale werden durch Wände, Böden und andere Gegenstände blockiert. Um eine gute Kommunikation zwischen dem Netz und den Geräten zu gewährleisten, ist es notwendig, viele Zugangspunkte im Gebäude zu installieren.
Zum anderen verbraucht WLAN viel Strom. Nicht nur die Router, Switches und Access Points müssen angeschlossen werden, sondern auch die zahlreichen Geräte, die mit dem Netzwerk verbunden sind. Während dies bei großen Geräten kein Problem darstellt, ist es bei kleinen Sensoren und anderen batteriebetriebenen Geräten ein Problem.
In den letzten Jahren sind neue LPWAN (Low-Power Wide-Area Network)-Standards auf dem Markt erschienen. Diese Standards sind speziell für den Anschluss von Geräten mit geringem Stromverbrauch, die meist mit Batterien betrieben werden, an Gateways konzipiert, die unlizenzierte Frequenzen im unteren GHz-Bereich nutzen. Der wahrscheinlich beliebteste und am häufigsten installierte ist LoRa. Weitere Beispiele sind Zigbee und Sigfox.
LPWANs wie LoRaWAN können die beiden Hauptprobleme von WLAN lösen. Die Reichweite wird durch die Nutzung eines nicht lizenzierten Spektrums im Bereich unterhalb von GHz erheblich erweitert. In vielen Fällen kann ein einzelner LoRa-Gateway ein ganzes Gebäude versorgen. Darüber hinaus ermöglichen der geringe Stromverbrauch und die begrenzte Bandbreite – die Bandbreite des LoRaWAN reicht von 0,3 kbit/s bis 50 kbit/s – den Einsatz von batteriebetriebenen Geräten, die nur eine begrenzte Konnektivität benötigen, was bedeutet, dass ein kleiner Sensor mehrere Jahre lang ohne Wartung betrieben werden kann.
Außerdem macht das weltweite LoRaWAN-Netz die Installation von Gateways vor Ort überflüssig. Wie eine Mobilfunkverbindung kann LoRaWAN Tausende von IoT-Geräten mit weniger Stromverbrauch zu einem Bruchteil der Kosten verbinden.
Für die Sicherheit über LoRaWan werden standardisierte AES-128-Kryptoalgorithmen verwendet. Die Schlüssel können an der Produktionslinie vorinstalliert werden, während der Inbetriebnahme oder Over-the-Air Activated (OTAA) im Feld. Mit OTAA können die Geräte bei Bedarf neu verschlüsselt werden.
Kein Netz passt für alle
Zweifelsohne benötigen verschiedene Systeme, Komponenten und Geräte für intelligente Gebäude unterschiedliche Arten von Konnektivität.
Sensoren, die Umweltbedingungen und den Zustand von Geräten und anderen Systemen überwachen, müssen nur kleine Datenpakete senden und empfangen. Sie sind besser mit einem LPWAN wie LoRa bedient, das den Stromverbrauch und die Kosten senkt.
Sicherheitssysteme wie Kameras, Bewegungsmelder und andere Echtzeitanwendungen erfordern eine größere Bandbreite und stabile Verbindungen, die durch Mobilfunk- und Kabelverbindungen bereitgestellt werden können.
Andere Geräte, wie z. B. Thermostate und intelligente Fenster, können über WLAN-Zugangspunkte betrieben oder per Kabel angeschlossen werden.
Interoperabilität ist entscheidend
Die größte Herausforderung für Gebäudedesigner und -entwickler ist das Zusammenspiel der verschiedenen Geräte. Bislang beruhen die meisten Lösungen für Gebäude auf unabhängigen Silos – Teillösungen, die nur einen Abschnitt oder Teil einer Infrastruktur betreffen.
Deshalb kommen jetzt neue Plattformen auf den Markt, die es ermöglichen, dass verschiedene Systeme und Netze zusammenarbeiten. Eines davon ist Building X by Siemens, das nicht auf die Verwendung der Siemens-Hardware beschränkt ist. Anbieter und andere Gebäudemanagementunternehmen können ihre bestehenden Systeme in die Plattform integrieren und so die Anfangsinvestitionen und Zusatzkosten reduzieren. Auf diese Weise können sie über eine einzige Schnittstelle, oder einen digitalen Zwilling, ihre Gebäude effizient verwalten.
Auch Microsoft steigt mit IoT Central und Azure Digital Twins in diesen wachsenden Markt ein. „Wir schließen uns mit anderen Branchenführern zusammen, um die Nutzung von Digital Twins in vertikalen Märkten zu beschleunigen“, sagt Sam George, Corporate Vice President von Azure IoT bei Microsoft. „Wir haben uns dem Aufbau einer offenen Community verschrieben, um Best Practices und Interoperabilität zu fördern, bewährte, sofort einsetzbare Design Patterns zu etablieren und Standardmodelle für spezifische Unternehmen und domänenübergreifende Kernkonzepte zu schaffen.“
