Sensorvernetzung in älteren industriellen Automatisierungsanlagen mit einem LoRaWAN-Multiprotokoll-Gateway

In dem Maße, in dem sich das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) weiter ausbreitet, nehmen auch die Arten von Netzwerktechnologien zu, die zur Verbindung verschiedener Systeme eingesetzt werden. Für drahtgebundene Netzwerke ist Ethernet (und seine Industrial-Ethernet-Variante) die gebräuchlichste Schnittstelle, da sie vielseitig ist und eine Reihe verschiedener Protokolle ausführen kann. Für drahtlose Hochgeschwindigkeitsdaten ist Wi-Fi zum Standard für schnelle und zuverlässige Vernetzung geworden, während Bluetooth für einige Sensoren und zur Konfiguration von Geräten verwendet wird.

Bluetooth arbeitet jedoch im 2,45-Gigahertz-Band (GHz), während Wi-Fi sowohl im 2,45-GHz- als auch im 5-GHz-Band arbeitet. Infolgedessen können die im Altbau verwendeten schweren Wände die Reichweite von Wi-Fi- und Bluetooth-Übertragungen im Vergleich zu Funkgeräten wie LoRaWAN, die in den Sub-GHz-Bändern arbeiten, erheblich verringern. Dies beeinträchtigt die Sensorkonnektivität und erhöht somit die Kosten, da mehr Zugangs- oder Aggregationspunkte in einer Einrichtung eingerichtet werden müssen, um zu verhindern, dass Geräte eine drahtlose Verbindung verlieren.

In diesem Artikel wird erklärt, warum es notwendig sein kann, die LoRaWAN-Sensor-Konnektivität in Industrieautomatisierungsanlagen hinzuzufügen, die bereits über Wi-Fi und Bluetooth verfügen. Es untersucht die Vorteile von LoRaWAN in älteren Gebäuden und Altbauumgebungen, die für die industrielle Automatisierung und das Gebäudemanagement angepasst werden müssen. Anschließend werden zwei LoRaWAN-Gateways aus Multi-Tech-Systeme betrachtet, die problemlos Wi-Fi-Datennetzwerke, LoRaWAN-Sensor-Konnektivität und Bluetooth-Konnektivität unter Beibehaltung der Abwärtskompatibilität verwalten können.

Wie man drahtlose Konnektivität in älteren Gebäuden hinzufügt

Die Erweiterung des IIoT hat dazu geführt, dass einige alte Gebäude für die Vernetzung des IIoT in Anspruch genommen wurden. Diese älteren Gebäude wurden jedoch Jahre gebaut, bevor sich jemand Gedanken über die drahtlose Datenübertragung im gesamten Gebäude machte. Wände, Böden und Decken sind oft mit Stahlgitter, Bewehrungsstäben und schweren Stahlträgern zur Verstärkung versehen, die Hochfrequenz-Funksignale effektiv blockieren und so den Netzwerkzugang zu einigen Geräten blockieren.

In einigen Fällen kann die Konnektivität durch eine Wand ausreichend sein, bis ein Gabelstapler oder anderes schweres Gerät in der Nähe der Wand steht und die Konnektivität vorübergehend blockiert ist. Dies stellt ein Problem für drahtlose Hochfrequenzprotokolle wie Wi-Fi und Bluetooth dar. Die Diagnose dieser intermittierenden Borderline-Verbindungssituationen ist der Alptraum eines Netzwerktechnikers.

Infolgedessen können diese Gebäude zusätzliche Router, Netzwerk-Switches und Gateways in den Einrichtungen erfordern. Dies erhöht die Komplexität des Netzwerks und führt gleichzeitig zu Bedenken hinsichtlich Kosten, Wartung und Interoperabilität.

Besonders problematisch ist die Situation für entfernte Sensoren, die sich Hunderte von Metern vom Gateway oder Router entfernt befinden können. Einige Sensoren, wie z.B. Umweltsensoren, müssen ihren Status jedoch nicht ständig über ein drahtloses Hochgeschwindigkeitsnetzwerk übertragen und können problemlos Sub-GHz-Frequenzen ohne Netzengpässe oder Rennbedingungen nutzen.

Für diese Situationen ist das drahtlose Sub-GHz-Low-Power-Protokoll LoRaWAN eine zuverlässige Option. LoRaWAN sendet über den Frequenzbereich von 902 bis 928 Megahertz (MHz) in den USA und über 863 bis 870 MHz in der EU. Es zielt auf Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch und niedriger Datenrate ab, die keine konstanten Datenverbindungen benötigen. Noch wichtiger ist, dass LoRaWAN mit seinen niedrigeren Betriebsfrequenzbändern auch für ältere Gebäude mit dicken verstärkten Wänden geeignet ist, da das übertragene Signal leicht Holz, Trockenbauwände, Beton und Stahl durchdringt.

Wenn die Industrieanlage jedoch Wi-Fi, Bluetooth und LoRaWAN verwendet, ist es wichtig, alle drei Protokolle in einer Weise zu integrieren, die Zuverlässigkeit und Interoperabilität gewährleistet und gleichzeitig die Wartungskosten senkt.

IIoT LoRaWAN-Konfiguration

Normalerweise werden Wi-Fi-Signale über einen Netzwerk-Switch oder Router, der die Daten über kabelgebundenes Ethernet übersetzt, mit dem zentralen Hub einer Industrieanlage verbunden. Diese Übersetzung ist relativ einfach, da Wi-Fi und Ethernet kompatible Protokolle sind. LoRaWAN ist jedoch nicht mit Ethernet kompatibel, so dass die Daten nicht einfach weitergegeben werden können. Stattdessen müssen die drahtlosen LoRaWAN-Daten zunächst von einem kompatiblen Gateway empfangen werden, damit die LoRaWAN-Daten den zentralen Hub erreichen können. Ein LoRaWAN-kompatibles Gateway ist so konfiguriert, dass die Daten über eine Backhaul-Verbindung an einen Windows- oder Linux-Zentral-Hub weitergeleitet werden, auf dem die LoRaWAN Network Server (LNS)-Anwendung läuft. Das LNS verarbeitet die Daten und stellt sie dem Betriebssystem des Hubs über Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs), die der Anwendungssoftware zur Verfügung stehen, zur Verfügung.

Ein LoRaWAN-Multiprotokoll-Gateway, das für robuste Industrieanlagen entwickelt wurde, ist das Multiprotokoll-Gateway MTCDT-247A-915-US-EU-GB von Multi-Tech Systems (Abbildung 1). Das Gateway zielt auf industrielle Umgebungen ab und kann bei Temperaturen von -30°C bis +70°C und bei bis zu 90% relativer Luftfeuchtigkeit (nicht kondensierend) betrieben werden.

Der MTCDT-247A-915-US-EU-GB ist für die LoRaWAN USA-Frequenzen konfiguriert und kann nicht in anderen Regionen verwendet werden. Der MTCDT-247A-915-US-EU-GB unterstützt Wi-Fi, Bluetooth und LoRaWAN.

Abbildung 1: Das MTCDT-247A-915-US-EU-GB-Gateway von Multi-Tech Systems ist ein Wi-Fi-Router und LoRaWAN-Gateway für industrielle Umgebungen. Es arbeitet über USA LoRaWAN-Frequenzen von 902 bis 928 MHz und unterstützt auch Bluetooth-Konnektivität. (Bildquelle: Multi-Tech-Systeme)

Dieses Conduit-Gateway unterstützt LoRaWAN-Netzwerke im 915-MHz-Band der USA. Das Gateway verwendet eine browserbasierte Schnittstelle zur Konfiguration des LoRaWAN-Paket-Weiterleiters, um auf das LNS zu verweisen. LoRaWAN-Sensoren, die sich innerhalb der Industrieanlage befinden, können problemlos eine Verbindung zu einem viele hundert Meter entfernten Conduit-Gateway herstellen, selbst durch die Stahlbetonwände und -böden älterer Gebäude hindurch. Doch selbst moderne Gebäude werden dunkle Flecken haben - Orte, an denen Funksignale nicht ankommen. Dies ist bei großen Gebäuden immer ein Thema und lässt sich nicht vermeiden. Aus diesem Grund wird empfohlen, mindestens zwei LoRaWAN-Gateways zu haben, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten. Die LNS-Anwendung behebt alle Probleme beim Empfang identischer Datenpakete von zwei oder mehr Conduit-Gateways.

Die Browser-Schnittstelle kann auch zur Konfiguration des Wi-Fi-Zugangspunkts verwendet werden. Der MTCDT-247A-915-US-EU-GB kann Wi-Fi-Zugangspunkte für eine Industrieanlage bei 2,45 GHz und 5 GHz für 802.11a/b/g/n-Protokolle bereitstellen. Eine Wi-Fi-Antenne ist im Lieferumfang des Gateways enthalten.

Die Browser-Schnittstelle kann auch den Bluetooth-Zugangspunkt für die Verbindung mit kompatiblen Bluetooth-Geräten konfigurieren. Bluetooth Classic wird für ständig eingeschaltete Bluetooth-Geräte mit hoher Datenrate unterstützt. Für batteriebetriebene Bluetooth-Geräte wie Tabletts, Laptops und einige Sensoren wird Bluetooth LE 4.1 unterstützt.

Die Netzwerkverbindung und das Backhaul zum Hauptserver erfolgt über kabelgebundenes 10/100BaseT-Ethernet über eine RJ45-Buchse auf der Rückseite.

Der MTCDT-247A-915-US-EU-GB unterstützt auch das Globale Satellitennavigationssystem (GNSS). Dies kann für die globale Positionierung verwendet werden, aber noch wichtiger ist, dass GNSS eine genaue Zeitbasis für LoRaWAN-Paketzeitstempel liefert, die vom LoRaWAN-Standard zur Gewährleistung der Nachrichtensynchronisation benötigt wird.

Der MTCDT-247A-915-US-EU-GB kombiniert die USA LoRaWAN-, Wi-Fi- und Bluetooth-Hub-Konnektivität in einem Gateway, bietet einen zentralen Wartungspunkt für alle drei Wireless-Protokolle und vereinfacht die Netzwerkkonnektivität. Das Gateway ist so konzipiert, dass sich die drei Protokolle nicht gegenseitig stören.

Für den Einsatz in der EU liefert Multi-Tech Systems das MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB-Gateway, das mit der US-Version identisch ist, außer dass es im EU 868 MHz LoRaWAN-Band von 863 bis 870 MHz betrieben wird und zusätzlich die zellulare 4G-LTE-Konnektivität für den Backhaul unterstützt. Für einen kostengünstigen Betrieb in Gebieten, die nicht von modernen Mobilfunkstandards bedient werden, kann das Gateway auch Daten über 3G-HSPA+ und 2G-GPRS-Netze senden. Multi-Tech Systems gibt an, dass dieses Gateway mit allen Mobilfunknetzen der EU kompatibel ist.

Der MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB wird mit einer Auswahl von Adaptern geliefert, die mit den meisten EU-Steckdosen kompatibel sind. Es umfasst auch eine Wi-Fi-Antenne, eine GNSS-Antenne und zwei Mobilfunkantennen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Multi-Tech-Systeme MTCDT-247A-915-US-EU-GB-Gateway unterstützt LoRaWAN-Konnektivität in EU-Ländern im 868 MHz-Band, während es gleichzeitig 4G-LTE-Zellular-Backhaul-Konnektivität unterstützt. Es wird mit einer Auswahl an europäischen Wechselstromadaptern geliefert, die mit den meisten Ländern kompatibel sind. (Bildquelle: Multi-Tech-Systeme)

Um LoRaWAN-Daten über ein 4G-LTE-Netz an ein LNS zu senden, benötigt jedes Gateway eine Standard-SIM-Karte mit dem Mobilfunknetz, der Telefonnummer und den Teilnehmerinformationen.

Der MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB hat einen SIM-Kartenhalter auf der Vorderseite des Geräts hinter dem Typenschild. Um die SIM-Karte vor zufälligem Austausch durch böswillige Akteure zu schützen, wird das Typenschild mit einer Schraube gesichert (Abbildung 3). Für zusätzliche Sicherheit sollte das Gateway an einem verschlossenen Ort aufbewahrt werden, der für nicht autorisierte Benutzer unzugänglich ist. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Standort nicht von einem Metallgehäuse umgeben ist, das Bluetooth und Wi-Fi-Signale behindern würde.

Abbildung 3: Das MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB-Gateway verfügt über einen SIM-Karten-Port, der durch Entfernen des Typenschildes zugänglich ist, das mit einer kleinen Schraube gesichert ist. (Bildquelle: Multi-Tech-Systeme)

Jedes Multi-Tech Systems Conduit LoRaWAN-Gateway, das einen 4G-LTE-Backhaul unterstützt, erfordert den Kauf einer SIM-Karte mit einem entsprechenden Datenplan von einem Mobilfunkanbieter. Eine SIM-Karte und ein Mobilfunk-Datenplan für ein Conduit-Gateway können bequem über DigiKey erworben werden. Es sind Pläne mit Datenkapazitäten von 300 Kilobyte (Kbytes) bis zu 5 Gigabyte (Gbytes) pro Monat erhältlich.

Das Multi-Tech Systems Conduit-Gateway bietet einen einfachen zentralen Zugangspunkt für vier drahtlose Verbindungsprotokolle und GNSS, alles in einem Gerät. Für das Wartungspersonal ermöglicht dies die einfache Konfiguration aller drahtlosen Netzwerke von einem Standort aus, was Zeit spart und die Zuverlässigkeit erhöht. Dadurch werden auch Konflikte vermieden, die bei der Verwendung von separaten Routern und Gateways auftreten können.

Fazit

Die drahtlose Vernetzung wird für die Industrieautomation immer nützlicher, da Anlagen und Fabriken IIoT-Praktiken übernehmen. Für diese Anwendungen gibt es bereits ein reichhaltiges Ökosystem von Geräten, die Wi-Fi und Bluetooth für eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen und oft über verschiedene Frequenzbänder arbeiten. Wie beschrieben, kann das Hinzufügen der LoRaWAN-Sensor-Konnektivität mit ihrem Sub-GHz-Betrieb in industriellen Automatisierungsanlagen, die bereits über Wi-Fi und Bluetooth verfügen, die Zuverlässigkeit verbessern, insbesondere in älteren Anlagen mit stahlverstärkten Wänden. Die Verwendung eines einzigen Gateways, das alle diese Protokolle unterstützt, spart Zeit und Konfigurationskosten und verbessert gleichzeitig die Kompatibilität und Zuverlässigkeit.