Mit der zunehmenden Verbreitung von IoT-Systemen steigen die Erwartungen an Sensoren, die LPWA-Technologie unterstützen und Sensordaten drahtlos direkt in die Cloud übertragen können. Um Systeme mit dieser Technologie zu realisieren, besteht Bedarf an einfach zu installierenden Miniaturgeräten, die Solarzellen nutzen, um Kosten zu sparen und den Batteriewechsel überflüssig zu machen.
Die Fujitsu Laboratories entwickelten zuvor eine Leistungsregelungstechnologie (1), die den Betrieb eines Beacons mithilfe einer Solarzelle ermöglicht. Bisher wurde die temperaturabhängige Schwankung der Solarzellenleistung durch größere Energiespeicherelemente kompensiert. Nun haben die Fujitsu Laboratories jedoch eine Technologie entwickelt, die durch die Steuerung der Signalübertragungszeit basierend auf der von einem Temperatursensor gemessenen Temperaturänderung eine hohe Energieeffizienz erzielt. Dadurch halbiert sich die Anzahl der für die Signalübertragung benötigten Energiespeicherelemente. Dies ermöglichte es den Fujitsu Laboratories, das Gerät auf eine Größe von 82 x 24 x 6 mm zu miniaturisieren und den weltweit kleinsten LPWA-kompatiblen Sensor zu entwickeln, der keine Ersatzbatterien benötigt.In einem Test des Sensors mit dieser Technologie bestätigten die Fujitsu Laboratories, dass die erfassten Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten an eine Sigfox-Basisstation (2) in einer Entfernung von ca. 7 km übertragen werden können. Da es nun möglich ist, Messdaten auch an Orten zu erfassen, an denen die Stromversorgung und die Verlegung von Stromkabeln schwierig sind, wird durch die einfache Platzierung dieser Sensoren die wartungsfreie Bereitstellung und Verwaltung von IoT-Systemen Realität und die Digitalisierung vor Ort beschleunigt.
Hintergrund:
Die Verbreitung von IoT-Systemen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Prognosen zufolge werden bis 2020 mehrere zehn Milliarden IoT-Geräte über Netzwerke mit der Cloud verbunden sein. In IoT-Systemen müssen die von zahlreichen Sensoren im Feld erfassten Daten in die Cloud übertragen und dort analysiert werden. LPWA (Low Power Wireless Algorithm) gewinnt als drahtlose Technologie, die Daten mit geringem Stromverbrauch über große Entfernungen direkt in die Cloud übertragen kann, zunehmend an Bedeutung. Aus praktischer und kostengünstiger Sicht besteht große Hoffnung in die Miniaturisierung, die nicht nur die LPWA-Standards erfüllt, sondern auch Solarzellen nutzt und somit den Austausch von Sensoren überflüssig macht.
Fujitsu Laboratories hat bereits eine Energiesteuerungstechnologie entwickelt, die Miniaturschaltungen nutzt, um Daten drahtlos über kurze Distanzen via Bluetooth Low Energy (BLE) zu übertragen. Diese Technologie ermöglicht den Betrieb von BLE-kompatiblen Sensoren ohne Batteriewechsel, versorgt diese über Solarzellen mit Strom und aktiviert zuverlässig einen drahtlosen Schaltkreis durch Überwachung und Anpassung des Verhältnisses von Energieerzeugung und -verbrauch. Sensoren , die diese ältere Technologie verwenden, unterstützen jedoch kein LPWA (Low Power Waveform). Der Grund dafür ist, dass die Übertragungszeit bei LPWA deutlich länger ist als bei BLE. LPWA überträgt kleine Datenmengen langsam, um die Signalqualität über große Entfernungen zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass eine einzelne Übertragung eine erhebliche Menge an Energie benötigen kann – bis zu etwa 1.500 Mal so viel wie bei BLE.
Über die neu entwickelte Technologie
: Fujitsu Laboratories hat eine neue Leistungsregelungstechnologie entwickelt, die die Sendeleistung bei minimaler Schaltungsgröße sicherstellt. Die Vorteile dieser Technologie sind:
1. Leistungsregelungstechnologie mit temperaturabhängiger Leistung:
Fujitsu Laboratories hat eine Leistungsregelungstechnologie entwickelt, die den Zeitpunkt der LPWA-Signalübertragung in Echtzeit anhand von Temperaturdaten eines Temperatursensors regelt. Mit dieser Technologie erfolgt die Signalübertragung nur, wenn die temperaturabhängige Aktivierungsspannung ihren Maximalwert erreicht, um ein Unterschreiten der minimalen Betriebsspannung des LPWA-Moduls zu verhindern (Abbildung 3). Durch die effiziente Energienutzung können temperaturbedingte Schwankungen im Stromverbrauch der drahtlosen Schaltung oder der von den Solarzellen erzeugten Energie ausgeglichen werden. Dadurch entfällt der Bedarf an zusätzlichen Energiespeichern, die zuvor zur Deckung des Leistungsbedarfs erforderlich waren.
2. Energieüberwachungstechnologie aktiviert zuverlässig den Temperatursensor.
Für eine zuverlässige Funktion der Leistungsregelung muss das Gerät den Temperatursensor kontinuierlich und zuverlässig mit minimalem Energieaufwand aktivieren können. Um diese Herausforderung zu meistern, hat Fujitsu Laboratories eine Energieüberwachungstechnologie entwickelt, die Spannungsänderungen im Netzteil analysiert und präzise ermittelt, ob ausreichend Energie für den Betrieb des Temperatursensors gespeichert ist. Diese Technologie verhindert unnötige Abschaltungen des Temperatursensors, indem sie temperaturabhängig die minimale Energiemenge nutzt.
Auswirkungen:
Diese Technologie wurde mithilfe von Sigfox, einem LPWA-Standard, implementiert und ermöglichte die Entwicklung des weltweit kleinsten Sensors (82 x 24 x 6 mm), der LPWA-Kommunikation ohne Batteriewechsel unterstützt. Die Fujitsu Laboratories verifizierten, dass Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten sieben Tage lang alle zehn Minuten direkt an eine ca. 7 km entfernte Basisstation übertragen werden konnten – und das in einer Umgebung mit 4.000 Lux Beleuchtungsstärke. Die Fujitsu Laboratories bestätigten außerdem die Visualisierung der Daten über die Fujitsu Cloud Service K5 IoT-Plattform, die IoT-Datennutzungsplattform von Fujitsu Limited. Diese Plattform ist als IoT-Plattform mit Anbindung an die Sigfox-Cloud mit dem Sigfox Ready Program for IoT PaaS zertifiziert (Abbildung 5).
Dadurch lassen sich Sensordaten einfach in der Cloud erfassen, indem die Sensoren konfiguriert werden – selbst an Orten, an denen die Stromversorgung oder die Verlegung von Stromkabeln schwierig ist. Dies ermöglicht die wartungsfreie Installation und Verwaltung von IoT-Systemen und beschleunigt die Digitalisierung im Feld.
Zukunftspläne: Fujitsu Laboratories wird die Feldversuche für den praktischen Einsatz dieser Sensoren fortsetzen und die Technologie in die Fujitsu Cloud Service K5 IoT-Plattform sowie in die Sensorlösungen von Fujitsu Frontech Limited als vernetzte Geräte integrieren. Ziel ist die Kommerzialisierung im Geschäftsjahr 2018. Darüber hinaus werden wir die Entwicklung von Technologien zur Miniaturisierung von Sensoren weiter vorantreiben. Kommentar von Yoshihito Kurose, Präsident von KYOCERA Communication Systems Co., Ltd. (KCCS): Da die Nutzung des Internets der Dinge (IoT) voraussichtlich weiter zunehmen wird, prognostiziert KCCS, dass Lösungen, die die geringen Stromeigenschaften des Sigfox-Netzwerks nutzen, in vielen Branchen entwickelt werden. KCCS ist überzeugt, dass die Entwicklung eines Sensors durch Fujitsu Laboratories Ltd., der keine Batterieladung per Solarbatterie benötigt, die Nutzung von Sigfox nicht nur in Japan, sondern weltweit fördern wird. Als Sigfox-Betreiber in Japan arbeitet KCCS mit Fujitsu Laboratories Ltd. und anderen Partnern zusammen, um die Vernetzung aller Geräte mit dem Sigfox-Netzwerk zu ermöglichen und so zu einer sicheren und lebenswerten Gesellschaft beizutragen. ________________________________________ • [1] Entwicklung der Energiesteuerungstechnologie: Fujitsu entwickelt den branchenweit ersten flexiblen IoT-Support-Beacon, der keinen Batteriewechsel benötigt (Pressemitteilung, 25. März 2015) http://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2015/0325-02.html • [2] Sigfox: Ein globales IoT-Netzwerk auf Basis von LPWA, bereitgestellt von Sigfox, einem 2009 in Frankreich gegründeten Unternehmen. KYOCERA Communication Systems Co., Ltd. ist der einzige Netzwerkdienstanbieter in Japan.
