Die Erhebung der Daten darf nichts kosten

Was könnten Hersteller nicht alles mit den Big Data ihrer Geräte, Maschinen und Anlagen machen. Die Daten aber in die Cloud zu bekommen ist eine echte Herausforderung, denn die Kosten müssen bei höchsten Sicherheitsanforderungen dennoch gering sein.

12. September 2018
Die Vorteile der IoT-Anbindung von Maschinen und Anlagen und was das neue Low Power Wide Area Netz (LPWAN) Sigfox dafür bietet. Quelle: Sigfox
Bild 1: Die Erhebung der Daten darf nichts kosten (Die Vorteile der IoT-Anbindung von Maschinen und Anlagen und was das neue Low Power Wide Area Netz (LPWAN) Sigfox dafür bietet. Quelle: Sigfox)

Die Erhebung des einzelnen Datensatzes darf nämlich quasi nichts kosten. Kostengünstige Lösungen lassen sich aber nicht zuletzt auch aus Sicherheitsgründen nicht so einfach umsetzen. Will man zum Beispiel einen Elektromotor direkt ans Internet anbinden, braucht dieser eine IP-Adresse. Doch die IP-Adresse macht das Gerät anfällig für Angriffe und Missbrauch.

Es könnte etwa für Denial-of-Service-(DoS) Attacken missbraucht werden. Also heißt es aufrüsten: Neben dem Webserver zur Anbindung – der ganz nebenbei ebenfalls Geld kostet und Strom verbraucht – sind zusätzliche Firewall-Technologien mit konstanten Updates und Lösungen für eine sichere End-to-End-Kommunikation erforderlich. Ein immenser Aufwand für Unternehmen, die eigentlich nur den Zustand des Getriebes oder die Alterung des Öls überwachen wollen, um Kunden einen passgenauen Wartungstermin vorzuschlagen.

Doch die Kosten steigen noch weiter: Verbindet man Geräte, Maschinen und Anlagennämlich über das Mobilfunknetz mit der zentralen Cloud, um unabhängig von Verkabelungen zu werden, zahlt man für diese Logik nochmals drauf. So kostet eine SIM-Karte mit Leser heute noch immer mindestens 5 Euro pro Knoten ganz zu schweigen vom Administrationsaufwand und Kartenhandling bis hin zur Aktivierung.

Rechnet man diese Kosten auf tausende und abertausende Geräte hoch, wird dies schnell zu einer Investition, die Millionen verschlingt und für viele Hersteller weniger komplexer Geräte untragbar – ganz zu schweigen von den Roamingkosten, die bei weltweitem Einsatz entstehen. Sie entscheiden sich somit mangels Alternativen gegen die Anbindung ihrer Waren ans Internet of Things (IoT), da sich diese bei so viel Aufwand niemals über neue Services amortisieren lässt.

Für eine Anbindung zur Sammlung von Predictive Maintenance Daten und weitere Services müsste eine deutliche weniger komplexe und damit deutlich günstigere Technologie zur Verfügung stehen, die Daten idealerweise auch ohne laufende Verbindungsentgelte für den Netzbetreiber in die Cloud bringen kann und die Daten zugleich vor Hacks aus dem Internet schützt.

Schnittstellen für kleine Nachrichten

Tatsächlich benötigt man für viele Geräte gar nicht so leistungsfähige Schnittstellen wie GSM/LTE, Ethernet, WLAN oder Bluetooth, über die man auch Livestreams übertragen kann. Um Beim Fall des Motors zu bleiben: Hier würde es ausreichen, wenn man Zustandsdaten nur zyklisch senden würde oder gar eine kleine Logik in das Device integriert, die sich nur bei Abweichungen von den Sollwerten meldet. Ein solches Setup hat ein minimales Volumen: Eine Sigfox-Nachricht mit Temperaturwert ist nur rund 2 Byte groß.

Bei einer Übermittlung alle 15 Minuten ergibt sich daraus für jedes angebundene Gerät ein Datenvolumen von lediglich rund 70 Kilobyte für ein ganzes Jahr. Gute Voraussetzungen also für die Reduzierung der Übertragungskosten, die ja sehr niedrig sein müssen – je mehr Geräte angebunden sein sollen, desto geringer. Früher lohnte es sich nicht, über solche Lösungen auch nur nachzudenken: In Zeiten, wo eine SMS noch 10 Cent kostete, hätten sich hieraus jährliche Übertragungskosten von mehr als 3.500 Euro pro Device ergeben – ein Vielfaches dessen, was ein normaler Haushaltskühlschrank kostet. Optimaler Weise liegen die Übertragungskosten für nahe null.

Deutlich niedrigere Investitionskosten

Nun gibt es mittlerweile auch Tarife zur M2M Kommunikation. Doch auch diese muss man verwalten, was sich für einen Getriebemotor in einer Maschine oder in einem Förderband kaum lohnt. Außerdem müssten auch die Investitionskosten drastisch sinken, denn 5 Euro für eine Schnittstelle bei einem Getriebemotorpreis zwischen etwa 150 und 1500 Euro in lohnt den Investitionsaufwand kaum – so gern der Motorhersteller seine Big Data auch hätte. Eine IoT-Anbindung muss also deutlich günstiger werden, um solche Lösungen umsetzen zu können. Mit neuen Lösungen, die verschiedene Anbieter im Bereich der IoT Netze derzeit vorantreiben, nähern wir uns diesem Ziel mit großen Schritten und das ist auch gut so, denn Big Data zu generieren zu allererst eine Frage des Preises.

 

Sigfox ist Preisbrecher

Das Sigfox-Netz, das derzeit in Deutschland ausgerollt wird und bis Ende 2018 eine Netzabdeckung von rund 85 % erreichen soll, ist Preisbrecher für das IoT. Die Kosten pro Knoten liegen bei rund 2 Euro und die Tendenz ist stark sinkend bis hin zu 20 Cent für die Logik der Einmalverbindungen (ohne Batterien) für beispielsweise Verpackungen von Verbrauchsmaterial, sodass man eine Nachbevorratungsstrategien komplett über das Gebinde/die Verpackung steuern könnte. Stellt man sich zudem vor, dass man selbst eine Schaltschranktüre mit einem Öffner-Kontakt versehen könnte, der bei unerlaubter Öffnung eine SMS an den Hersteller auslöst und dies mit smarten Sensoren, die über Jahrzehnte ohne Wartung autonom mit Batterien betrieben werden können, erkennt man das Potenzial, das in diesem Low-Power Wide Area Netz liegt.

Sigfox unterscheidet sich übrigens von alternativen Netzen dieser Art deutlich. Während in der Datenübertragungskapazität vergleichbare LPWANs primär als geschlossen installierte, lokale Netze aufgebaut sind, die ihr eigenes Gateway für die Anbindung benötigen, kommt das Sigfox Netz frei Haus: Anwender benötigen keine eigenen Gateways mit Internetanbindung, da das Sigfox-Netz überall verfügbar wird – weltweit. Sigfox braucht auch keine aufwendig zu verwaltende SIM-Karten, um online zu gehen.

Auch kennt Sigfox keine Roaminggebühren oder monatliche Datentarife vom Netzbetreiber für den Endanwender, was die Kostenkalkulation deutlich transparenter und besser kalkulierbar macht. Sigfox nutzt für die Signalübermittlung hingegen lizenzfreie Frequenzbänder, was es auch von andere LPWANs unterscheidet, die teurer in den Kosten pro Knoten sind und die für höhere Datenbandbreiten konzipiert wurden und deshalb nur im lizenzierten und damit vergleichsweise teuren Netzen angeboten werden können. Die derzeit günstigsten LPWAN-Module sind für diese LPWANs im lizenzierten Frequenzbereich sind zudem – selbst bei großen Stückzahlen – erst ab rund 5 Euro erhältlich. Wenn der Preis also entscheidend ist und die Datenkapazität des Sigfox Netzes ausreicht, gibt es keine bessere Alternative.

Hohe Zuverlässigkeit der Übertragung

Neben der Kostenseite ist aber auch die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Netzes beziehungsweise der Schnittstelle zur Maschine und Anlage entscheidend. Bei den QoS bietet das lizenzfreie Sub-Gigahertz-Band Vorteile, da es dank der langen Funkwellen auch eine höhere Indoor-Tauglichkeit aufweist als Mobilfunknetze. Das Sigfox-Signal ist zudem sehr schlank moduliert, sodass die gesamte Sendeleistung einen steilen Peak, der mit einem lauten Pfiff verglichen werden kann. Dieser Pfiff wird dreimal auf zufälligen Frequenzbereichen versandt und ohne jeden Handshake mit einer spezifischen Basisstation von allen umgebenden Basisstationen empfangen und ausgewertet. Letztlich an die Kunden-Clouds übertragen wird aber nur eine der mehrfach redundant empfangenen Nachrichten.

Wollte man diese Nachrichtenübertragung stören, brächte man nicht handliche 2 Watt Störsender, wie man sie zur Manipulation von Mobilfunkverbindungen einsetzen kann und die nur rund 80 Euro kosten, sondern ein Invest in einen Störsender, der 10 Kilowatt und mehr leisten kann und der hunderttausende Euro teuer ist und Schaltschrankgröße erreichen kann. Eine hohe QoS lässt sich also garantiert auch bei hohen elektromagnetischen Interferenzen (EMI), wie sie im industriellen Umfeld vorkommen können, sicherstellen.

Erfüllt hohe Sicherheitsanforderungen

Besonders sicher ist die Sigfox Schnittstelle dadurch, dass sie nicht an das Internet angebunden ist und aus Energiespargründen auch in den Tiefschlaf fällt, wenn sie nicht gebraucht wird. Wer nicht online ist, kann auch nicht gehackt werden. Zudem sind die 140 x 12 Byte wenig attraktiv für den Missbrauch der Devices als Denial-of-Service Angreifer auf andere Server. Hacker könnten Nachrichten auch niemals direkt an diese absetzen, da eine strikt geregelte Kommunikationsfolge der Devices ausschließlich Nachrichten an die Sigfox-Cloud ermöglicht. Die Logik des Sigfox-Netzes bietet damit eine extrem hohe Sicherheit. Zudem gibt es zukünftig auch die Option, neben der Daten- und Nachrichten- und Übertragungskanalverschlüsselung auch Secure Elements auf den Devices einzusetzen, um so letztlich eine sichere End-to-End Vernetzung zwischen der Kunden-Cloud und den Devices sicherstellen zu können.

Breites Lösungsangebot von über 500 Unternehmen

Wer Lösungen rund um die Sigfox-Technologie sucht, findet einen sehr guten ersten Einstieg auf der Website partners.sigfox.com, wo man vom Bauelement und Funk-Modul über USB- und mPCe Erweiterungskarten und Starterkits – auch für Arduino oder Raspberry Pi – bis hin zu fertigen smarten Sensoren und Controllern für die Hutschienenmontage jedes Wertschöpfungsniveau auch bis hin zu Anbietern, die sich um die Entwicklung der Cloudlösung kümmern. Über 500 Unternehmen weltweit bieten schon Lösungen auf Basis von Sigfox an. Orientierung und Beratung bei der Partnerauswahl bietet Sigfox Germany, die Münchener Tochter des französischen Unternehmens.