AT-Technologietag, Endrich Ad-hoc-Netze und Mobilfunk-Gateway für intelligente Sensorlösungen.

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Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Die Integration von NeoCortecs stromsparender drahtloser Ad-hoc-Mesh-Netzwerktechnologie in das Endrich IoT-Ökosystem bietet eine intelligente Lösung für die lokale Vernetzung von Sensoren. Diese Lösung unterstützt u.a. die vorausschauende Wartung, die Überwachung von Umweltparametern und die Sicherheitsüberwachung von Industrieanlagen zu wesentlich geringeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit und erhöht die Robustheit des Sensornetzwerks in rauer Umgebung.

Das preisgekrönte E-IoT-Ökosystem von Endrich bietet eine mögliche Lösung für die Direktübertragung von Daten intelligenter Sensoren in die Cloud unter Verwendung von NB-IoT/LTE-M-Mobilfunktechnologien. Dies ist eine perfekte Lösung, um konventionelle Geräte in «intelligente» Geräte umzuwandeln, wenn eine relativ kleine Anzahl von Sensoren in einer Anwendung vorhanden ist. Die Integration von NeoCortecs stromsparender drahtloser Ad-hoc-Mesh-Netzwerktechnologie in das Endrich IoT-Ökosystem bietet eine intelligente Lösung für die lokale Vernetzung von Sensoren, die mit einer hoch skalierbaren, langlebigen, unabhängigen und batteriebetriebenen Gruppe von Knoten einhergeht. Anstelle einer direkten Sensor-zu-Cloud-Kommunikation mit mehreren Ausgängen zum Internet genügt ein industrietaugliches, lokales Sub-Gigahertz-Mesh mit einem einzigen Gateway. Diese Lösung unterstützt u.a. die vorausschauende Wartung, die Überwachung von Umweltparametern und die Sicherheitsüberwachung von Industrieanlagen zu wesentlich geringeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit und erhöht die Robustheit des Sensornetzwerks in rauer Umgebung.

Die E-IOT-Plattform

Eine grosse Herausforderung für die Industrie ist heute die Digitalisierung konventioneller Prozesse, die Erweiterung von Maschinen mit stromsparender, funktionsreicher Mikrocontroller-basierter Elektronik zur Erfassung von Sensormesswerten und Weiterleitung von Daten an eine Cloud-Datenbank. Auf diese Weise ist es möglich, herkömmliche Geräte in vernetzte (Smart) Geräte umzuwandeln, die ihre Betriebs- und Umgebungsparameter an eine Cloud-Datenbank melden und so die Betriebssicherheit unterstützen. Intelligente Funktionen unterstützen die vorausschauende Wartung, die Optimierung des Energieverbrauchs und die Fernüberwachung. Das E-IOT-Ökosystem hilft beim Einstieg in diese Branche, indem es Hardware- und Servicelösungen für die Umwandlung konventioneller in intelligente Geräte anbietet. Eine Vielzahl von Sensormesswerten muss für die zukünftige Verarbeitung in einer zentralen Datenbank organisiert werden, um die Erwartungen von Industrie 4.0 zu erfüllen. Unser Team hat mehrere Hardware-Elemente entwickelt, die verschiedene Sensoren und Mobilfunktechnologie (M2M/Narrow-Band IoT) nutzen, um Sensormesswerte an die Cloud zu liefern. Am Anfang der Verarbeitungskette stehen Sensoren, die verschiedene physikalische Parameter erfassen und messen, die bis zur Speicherung in einer Cloud-Datenbank und der visuellen Darstellung der Daten am Ende verarbeitet werden. Dazwischen befindet sich ein ausgeklügeltes Gateway, das die Sensormesswerte sammelt, diese Daten vorverarbeitet und sie über einen Kommunikationskanal an einen cloudbasierten Datenbankdienst sendet, wo sie nach der Verarbeitung angezeigt oder für jeden beliebigen Zweck verwendet werden können, der für eine bestimmte Aufgabe geeignet ist.

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Was aber, wenn das verwendete stromsparende Netzwerk mit seinem direkten Sensor-to-Cloud-Konzept nicht die richtige Lösung bietet? Was ist, wenn die Batterielebensdauer aufgrund der für die Anwendung erforderlichen Häufigkeit des Datenversands nicht ausreicht?

Die E-IOT-Plattform in Kombination mit stromsparendem lokalen Ad-hoc-Netz

In diesem Fall benötigen wir die Hilfe einer stromsparenden, lokalen Ad-hoc-Sensor-Mesh-Netzwerklösung, wie sie NeoCortec mit seinem Neo.Mesh anbietet. Eine grosse Anzahl intelligenter Sensoren kann dann mit extrem niedrigem Stromverbrauch in ein lokales Netzwerk eingebunden werden, in dem ein Datenkonzentration-Gateway dafür sorgt, dass die Daten über ein Mobilfunknetz wie LTE-M oder NB-IoT an die Cloud-DB übermittelt werden. Unser Ingenieurteam hat eine modulare Sensornetzwerk-Infrastruktur entwickelt, die entweder eine direkte Sensor-zu-Cloud-Kommunikation, eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation oder ein lokales Sensor-Mesh-Netzwerk mit geringem Stromverbrauch und eine Multipunkt-zu-Punkt-Kommunikation zur Cloud unter Verwendung eines LPLAN-zu-LPWAN-Gateways bietet. Mithilfe des kompletten E-IoT-Ökosystems, das aus den oben erwähnten intelligenten Sensornetzwerken, der Cloud-Datenbank und dem Visualisierungs- und Datenverarbeitungssystem besteht, kann unser Unternehmen eine gute Lösung anbieten, um herkömmliche Geräte zu vernetzen. «SMART»-Geräten auszubauen, die eine vorausschauende Wartung erlauben.

Diese Lösung mit Neo.Mesh, dem Wireless Mesh Networking Protokoll, stellt in ihrem Kern einen Paradigmenwechsel gegenüber herkömmlichen Netzwerkarchitekturen dar. Im Gegensatz zur herkömmlichen Lösung mit einem zentralen Netzwerkmanager, der die Kommunikation zwischen den Knoten steuert, verwendet dieses Protokoll autonome intelligente Knoten als Rückgrat. Dadurch ist jeder Knoten in der Lage, als unabhängige Einheit zu agieren und die direkte Kommunikation zwischen den Knoten zu ermöglichen, ohne dass eine zentrale Instanz erforderlich ist. Das Ergebnis ist ein einheitliches Netz, das einfach funktioniert, unabhängig davon, wie gross oder komplex es wird. Wenn sich weitere Knoten dem Netz anschliessen, verbinden sie sich nahtlos mit den vorhandenen Knoten und bilden ein zusammenhängendes Kommunikationsnetz, das grosse Entfernungen überbrücken kann. Diese Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit sind als Erweiterung der E-IoT-Plattform besonders wertvoll, wenn sie in einem Gebiet eingesetzt wird, das von Hunderten oder Tausenden von Sensoren abgedeckt werden soll. Eine der beeindruckendsten Eigenschaften des Protokolls ist sein patentierter Routing-Mechanismus. Dieser Mechanismus stellt sicher, dass die Daten nahtlos durch das Netzwerk geleitet werden, selbst wenn Hindernisse auf dem HF-Pfad (Hochfrequenz) oder die Bewegung von Knoten innerhalb des Netzwerks auftreten. Herkömmliche Netzwerke leiden oft unter Leistungsproblemen, wenn Knoten blockiert sind oder ihre Position dynamisch ändern. Das Neo.Mesh Networking Protokoll hingegen beseitigt solche Probleme und garantiert jederzeit eine zuverlässige Datenübertragung. In der Praxis bedeutet dies, dass die Leistung des Netzwerks von Umgebungsfaktoren oder dynamischen Veränderungen innerhalb des Netzwerks selbst unbeeinflusst bleibt. Unabhängig davon, ob Knoten hinzugefügt, entfernt oder neu positioniert werden, bleibt das Netz robust und voll funktionsfähig, sodass eine ununterbrochene Konnektivität für alle Geräte und Benutzer gewährleistet ist. Bemerkenswert ist die Fähigkeit des Protokolls, Schwachstellen in realen Netzen zu beheben. Durch einfaches Hinzufügen eines weiteren Knotens, dem die entsprechende Netzwerk-ID zugewiesen wird, fügt es sich nahtlos in das bestehende Netzwerk ein und stärkt dessen Abdeckung und Leistung. Das Herzstück der Neo. Mesh-Technologie ist ein robuster Protokollstapel mit integrierten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsfunktionen. Ein wichtiger Aspekt dieser Sicherheitsmassnahme ist die Verschlüsselung der gesamten drahtlosen Kommunikation zwischen den Knoten mit AES128. Durch diese Verschlüsselung bleiben die Nutzdaten und die Netzwerkkommunikation für die Überwachung durch eine nicht vertrauenswürdige Instanz unzugänglich.

Das System ist für eine dauerhafte Leistung ausgelegt. Der Stromverbrauch ist aussergewöhnlich niedrig, sodass die Batterien mehrere Jahre lang halten. Das Neo-Mesh-Netzwerk folgt einem zeit synchronisierten Protokoll, bei dem jeder Knoten, die meiste Zeit in einem Schlafzustand verbringt. Dieser architektonische Ansatz gewährleistet ein äusserst vorhersehbares Energieverbrauchsmuster für jeden Knoten im Netzwerk. Infolgedessen verbrauchen alle Knoten nahezu die gleiche Menge an Energie, sodass jeder Netzwerkknoten viele Jahre lang effizient arbeiten kann.

Das E-IoT mit seiner lokalen Sensornetzerweiterung Neo-Mesh arbeitet mit Sub-Gigaherz-Frequenzen, um die Probleme anderer Protokolle in rauen Industrieumgebungen zu überwinden. Vergleicht man die Sub-GHz-Vernetzung mit Wi-Fi und Bluetooth, wobei dieselben Antennen und dieselbe Sendeleistung verwendet werden, so wird deutlich, dass die Sub-GHz-Vernetzung eine grössere Reichweite bietet. Der Grund für diese grössere Reichweite liegt darin, dass die niedrigeren Funkfrequenzen nicht so leicht von physischer Materie absorbiert werden wie die 2,4-GHz-Signale, die in Wi-Fi und Bluetooth verwendet werden.

Diese Fähigkeiten des Neo. Mesh-Protokolls machen es zu einer idealen Lösung für intelligente Sensoren, die in grossen Industriekomplexen wie Fabriken, Gebäuden, Immobilien und Geschäften installiert werden.

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