LoraWan Drahtlose Kommunikation für die Industrie 4.0. Eva Ponick und Alexander Stuckenholz Hochschule Hamm Lippstadt

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1 LoraWan Drahtlose Kommunikation für die Industrie 4.0 Eva Ponick und Alexander Stuckenholz Hochschule Hamm Lippstadt

2 Agenda Vorstellung Industrie 4.0 Internet-of-Things LoRaWAN Netzwerkarchitektur End Nodes, Gateways, Server Unser Angebot

3 Hochschule Hamm-Lippstadt (Fach)Hochschule gegründet im Jahr 2009 Campus in Hamm + Lippstadt 4500 Studierende in 14 Bachelor- und 5 Masterstudiengängen Studiengänge mit Anteilen Embedded Systems / Informatik: Intelligent Systems Design (Bachelor, Hamm) Biomedizinische Technologie (Bachelor, Hamm) Mechatronik (Bachelor, Lippstadt) Business and Systems Engineering (Master, Hamm)

4 Das Team Prof. Dr.-Ing. Alexander Stuckenholz Professur für praktische Informatik Arbeits- und Forschungsschwerpunkte Softwaretechnik und Softwarearchitektur Objektorientierte und datenbankgestütze Softwaresysteme Qualität von Softwaresystemen Gamification Prof. Dr. Eva Ponick Professur für Wirtschaftsinformatik und Grundlagen der Wirtschaftswissenschaften Arbeits- und Forschungsschwerpunkte Business Intelligence Anwendungen Analyse und Modellierung von Geschäftsprozessen Software-Ergonomie / Usability Engineering 2. Kongress Industrie 4.0 für den Mittelstand in Südwestfalen

5 (Einige) Möglichkeiten der Industrie 4.0 Predictive maintenance Heute: Wartung in festen Intervallen oder Betrieb bis Maschine defekt. Zukunft: Erkennung von kritischen Zuständen. Wartung, wenn nötig Individuelle Fertigung Heute: Massenfertigung und dadurch geringe Stückkosten. Zukunft: Hochindividualisierte Fertigungsprozesse, z.b. Auto auf den Leib geschneidert, oder Medikament wird individuell erzeugt. Aber auch: Energieversorgung und Nahrungsmittel. Autonome Prozesse Heute: Starre Produktionsanlagen und Prozesse. Zukunft: Dynamische Anpassung und Rekonfiguration, z.b. wenn Maschine defekt. Ziel: Selbstoptimierung und Adaptionsfähigkeit der Anlagen.

6 Internet-of-Things Industrie 4.0 setzt voraus, dass Anlagen/ Maschinen [...] eine virtuelle Identität besitzen. Einen sog. digitalen Schatten. Ein Selbstbild über sich. Stamm- und Bewegungsdaten können (in Echtzeit) verarbeitet und in Bezug zueinander gesetzt werden. Erst dadurch kann intelligente Dynamik entstehen. Es entstehen sog. cyber-physische Systeme. Auf dieser Plattform setzt Industrie 4.0 auf. Physische Welt Digitale Welt

7 Kommunikationstechnologien Vernetzung von Gegenständen setzt Kommunikationsinfrastruktur voraus. Bitübertragung, Transport und Vermittlung, Sicherheit,... OSI-Schichten 1-6. Wichtig: Offene Standards sind nötig. Ansonsten droht Inkompatibilität und/oder Anbieter lock-in. Drahtgebundene Lösungen haben Nachteile. Hohe Nachrüstkosten, keine Mobilität der Geräte. Herausforderung: Es existieren unübersichtlich viele drahtlos-standards. Unterschiedlich in Netzwerkarchitektur, Übertragungsraten, Reichweiten, Robustheit, Energieverbrauch, Sicherheit, Netzwerkkapazität, Kosten, z.b.: RFID, NFC, Zigbee, Z-Wave, Bluetooth, Wlan, LTE,... Für IoT: LoRaWAN

8 LoRaWAN LoRaWAN ist eine drahtlose Kommunikationslösung speziell für das Internet-der- Dinge. Offener Standard, der durch die Mitglieder der LoRa Alliance entwickelt wird (z.b. Semtech, Cisco, IBM, Swisscom, Bosch, ) Geeignet für: großflächige, öffentlich zugängliche Netze für energieschonende und asynchrone Übertragung kleiner Datenmengen. Uplink-fokusierte Übertragung. Nicht geeignet für: Hohe Übertragungsraten, Kurzstrecke, private Netze. Downlink-fokusierte Übertragung. LoRaWan basiert auf dem LoRa-Standard der Firma Semtech. Bidirektionale Datenübertragung im freien ISM-Band (in der EU Mhz) Zirpenfrequenzspreizung für robuste, energieschonende Übertragung bei gleichzeitig hohen Reichweiten: Bis 15 km. Adaptive Datenraten zwischen 0,3 kbits/s und 50 kbits/s. Ein anderer, proprietärer Standard auf Basis von LoRa: Symphony Link

9 LoRaWan Architektur Ein typisches LoRaWAN Netz besteht aus einer Reihe von Elementen. End Notes, Gateways, Netzwerk- und Anwendungsserver

10 LoRaWan End Notes Sensoren oder Aktoren werden im LoRaWAN Netz durch sog. End Notes repräsentiert. Sie kommunizieren über broadcast-nachrichten mit Gateways. Es existieren 3 Geräteklassen für End Notes. Geräteklasse A Geräteklasse B Geräteklasse C Batteriebetriebene Sensoren Batteriegetriebene Aktoren Durchgehende Energieversorgung Downlink nur nach eigener Übertragung von Sensordaten Getakteter Downlink Kontinuierlicher Downlink Eigene End Notes können auf Basis von Entwicklungsplattformen aufgebaut werden. Oft Arduino-basiert. Ab 50 pro Einheit in kleinen Stückzahlen.

11 LoRaWAN Gateways LoRaWAN Gateways empfangen die Nachrichten von End Notes. Die Nachrichten werden über IP-Protokolle an genau einen Netzwerk Server weitergereicht. Gateways decken einen Radius von bis zu 15 km ab. Ein Gateway kann bis zu End Notes verwalten und mit bis zu 10 End Notes gleichzeitig kommunizieren. Es existiert eine Vielzahl von out-of-the-box Gateways. z.b. der The-Things-Network Gateway für 250.

12 LoRaWAN Netzwerk-Server LoRaWAN Netzwerk-Server organisieren die Kommunikation zwischen End Notes und Gateways. Die Intelligenz des Netzes steckt in den Netzwerk-Servern. Aufgaben des Netzwerk-Servers: Filtern von redundanten Nachrichten, die durch mehrere Gateways empfangen wurden. Durchführen von Sicherheitschecks. Versenden von Bestätigungsnachrichten. Anpassen der Übertragungsraten an den Gateways. Betrieb/Nutzung eines Netzwerk-Servers: Variante 1: Bereitstellung durch professionelle Anbieter, z.b. Loriot.IO Aktuell kein Anbieter in Deutschland. Marktlücke! Variante 2: Nutzung offener Plattformen, z.b. The-Things-Network Variante 3: Eigener Netzwerk-Server mit Hilfe OpenSource

13 Mögliche Einsatzgebiete für LoRaWAN Smart Industry Überwachung von Maschinenzuständen Logistik und Tracking Fernwartung/Ferndiagnosen (Vermeidung Vendor-Lock-in) Smart Energy Überwachung von Strom-/Gas-/Wasserverbräuchen Erfassung von Klimadaten, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Smart farming Kontrolle von Bodendaten, wie Feuchtigkeit oder ph-wert Messwerterfassung bei Nutztieren Überwachung der Produktqualität bei Ernte und Lagerung Smart Citys Positionsbestimmung von Bussen, Lieferfahrzeugen, Carsharing, Leihrädern, Verfügbarkeitsanzeige zu Parkraumbewirtschaftung, Überwachung des Verkehrsflusses, Überwachung öffentlicher Infrastruktur

14 Unser Angebot Unser Angebot: Kooperation bei der Projektanalyse und durchführung Förderung über Innovationsgutschein Projektbeiträge im Rahmen von studentischen Abschlussarbeiten Vielen Dank, für die Aufmerksamkeit! Fragen?!?