LoRaWAN-Netzverknüpfung für flächendeckende Anlagenüberwachung (LNS) mit Chirpstack/The Things Network

Ausfälle und Störungen belasten oft Einrichtungen und Anlagen in kritischen Betrieben und Infrastrukturen. Um Schäden zu vermeiden, besitzen Instandhalter eine einheitliche Sicht auf die Zustände aller Anlagen, um Wartungsaufgaben und Reparaturen planen zu können.

Die Schwierigkeit der Qualitätssicherung liegt oft darin, alle relevanten Anlagenzustände zentral zu erfassen und einheitlich auszuwerten. Bisherige Lösungen umfassen die Qualitätssicherung direkt am Standort, wobei Wartungstätigkeiten unmittelbar lokal umgesetzt werden, isoliert von den restlichen Einrichtungen und Anlagen.

Eine gesamtheitliche Sicht über die Zustände verteilter Systeme und Anlagen, würde die Erstellung eines umfassenden Wartungskonzeptes vereinfachen, wodurch Engpässe und störende Abhängigkeiten effizienter erkannt und ausgewertet werden können.

LoRaWAN (als leistungsarmes Funkprotokoll) bietet eine passende Lösung, um Daten über weite Strecken und in störanfälligen Umgebungen kommunizieren zu können, aufgrund folgender
Merkmale der angewandten Signalübertragung:

• Frequenzmodulationtechnik „Chirping“
• niedriger Frequenzbänder (regionsabhängig, 868 MHz für Europa)

Mit LoRaWAN kann man somit gut in störanfälligen indstriellen Umgebungen kommunizieren, weil es Daten in der zeitlichen Änderung der Signalfrequenz codiert („Chirping“). Somit verfälscht das Hintergrund-Frequenzrauschen nicht die übertragenen Daten.

Niedriger Frequenzbänder besitzen den Vorteil, dass die Signale weniger (durch Umgebungsrauschen oder vereinzelte schmalbandige Störsignale) gedämpft werden. Ebenso können niedrige Signalfrequenzen besser physische Objekte durchdringen. Gerade in dicht-bebauten Umgebungen, müssen LoRaWAN-Sensoren ihre Daten zum Gateway erfolgreich kommunizieren.

1. LoRaWAN-Sensoren erfassen Messdaten an der Anlage
2. LoRaWAN-Gateways (auch „Basicstation“ genannt) stellen rohe LoRaWAN-Pakete bereit
3. Ein LoRaWAN-Netzwerkserver erfässt die LoRaWAN-Pakete zur Geräteverwaltung und Nutzdatenerfassung
4. Applikationsserver lesen die Nutzdaten vom Netzwerkserver und verarbeiten sie weitergehend.

Zur flächendeckenden Überwachung bspw. mehrerer industrieller Standorte oder großer Industrieparks, können Strukturen aus mehreren Gateways (Basicstations) realisiert werden, die jeweils lokale Sensoren im möglichen Funkradius erfassen und einheitlich an einen zentralen Netzwerkserver weiterleiten. Externe Applikationen wie MES- oder ERP-Systeme können die Sensordaten lesen und weitergehend verarbeiten (bspw. zur Qualitätssicherung am Standort).

Cloud-basierte LNS sind SaaS-Dienste wie bspw. von The Things Network, die mehrere LoRaWAN-Gateways anbinden und somit standortübergreifende Netzwerke aufbauen. Solche Gateways erhalten dabei gesicherte API-Schnittstellen-Schlüssel zum Cloud-LNS, worüber die Sensor-Nutzdaten verschlüsselt durchs Internet übertragen werden. Cloud LNS besitzen weitergehend den Vorteil, dass sie an Applikationsserver weltweit übertragen können, wodurch Cloud-Lösungen besonders relevant für global verteilte Netzknoten werden.

On-Premsie LNS werden lokal auf eigener Infrastruktur installiert und bieten maximale Datensicherheit, wie Beispielsweise die LNS-Applikation von Chirpstack. Da die Sensordaten vollständig im privaten Netzwerk verbleiben und nicht übers Internet übertragen werden, können sensible bzw. kritische Daten nicht von Angreifern im Internet abgegriffen oder verfälscht werden.

Neben dem Sicherheits-Aspekt, liegt die Entscheidungskraft für Erweiterung bzw. Implementierung des LNS in vorhandene IT-Strukturen vollkommen beim Entwickler. Als lokale Serverstation können externe Systeme (wie Arbeitsplatz-Software oder andere Serverapplikationen) die LoRaWAN-Daten abgreifen.