EIOTI – Energieautarke IoT-Infrastruktur

Ausgangssituation

In vielen neuen Anwendungsfeldern für IoT-Sensoren ist ein Zugang zum Stromnetz nicht gegeben, sodass ein hoher Kosten- und Personalaufwand entstehen würde, um die Sensoren anzuschließen. Entsprechende Anwendungsbeispiele sind Umweltüberwachungen, Katastrophenschutz und landwirtschaftliche Szenarien. In manchen Ausprägungen existieren bereits Sensoren, die sich durch Energy Harvesting mit Energie aus der Umwelt versorgen. Bei den benötigten Basisstationen für den Datenempfang und die Datenübermittlung der verteilten Sensoren hingegen ist weiterhin der Zugang zu einem Energienetz notwendig. Sollte diese Versorgung ausfallen, wäre damit jegliche Kommunikation unterbrochen. Hinzu kommt die Herausforderung, dass Basisstationen häufig aufgrund einer guten Empfangseigenschaft und Funkabdeckung an Standorten platziert werden, die exponiert sind und daher oft keinen Zugang zu einem Energieversorgungsnetz haben. 

Lösung

Mit dieser Problemlösung beschäftigt sich das Projekt „Energieautarke IoT-Infrastruktur“ (EIOTI). Im Zuge des Projekts soll eine energieoptimierte LPWAN-Basisstation entwickelt werden, die für drahtlose Sensornetze eingesetzt wird. Die Energieversorgung soll hierbei anhand von Energy Harvesting vollständig über Energiequellen aus der direkten Umwelt erfolgen, so zum Beispiel durch Bewegung oder Licht.

Für diesen Zweck soll eine Sendefunktionalität inklusive einer angepassten Wellenform für die Basisstation entwickelt werden, durch die eine Basisstation als Relais fungieren kann: Die empfangenen Sensordaten sendet sie dann weiter an den nächsten versorgten Infrastrukturpunkt. Zusätzlich soll ein Energieversorgungsmodul entwickelt werden, welches in erster Linie kleine Solarmodule nutzt, um die Basisstation zu versorgen oder die gewonnene Energie mittelfristig in einer Batterie zu speichern. Optional kommen auch Wind- und Wasserturbinen für das Modul infrage.

Im Projekt wird die LPWAN-Technologie mioty^® zur Datenübertragung verwendet. Im Vergleich zu anderen Funkprotokollen benötigt mioty^® im bisherigen Standardprofil nur einen Bruchteil der Energie für die Übertragung der gleichen Datenmenge. Darüber hinaus weist mioty^® eine hohe Skalierbarkeit auf, was für die störungsfreie Abdeckung von weiteren Use Cases wichtig ist. mioty^® unterstützt bis zu 24-mal so viele Verbindungen im Vergleich zu existierenden LPWAN-Technologien.  

Damit die Basstation nicht nur energieautark, sondern auch bei fehlender (Mobilfunk-)Infrastruktur laufen kann, soll im Laufe des Projekts ein neuartiges High-Data-Rate-Profil (HDR) für mioty^® entwickelt und implementiert werden, um darüber die empfangenen Sensordaten zum Backend weiterzuleiten.

Neben der Basisstation soll auch der Betrieb eins Sensors und Aktorknotens energieautark umgesetzt werden, da ihre Betriebsart auch einen Einfluss auf den Energieverbrauch der Basisstation hat. Somit kann die IoT-Infrastruktur insgesamt energieautark realisiert werden.

Das Fraunhofer IIS arbeitet in diesem Projekt zusammen mit Agvolution, Enerthing GmbH und WEPTECH elektronik GmbH. Das Projekt ist im Januar 2023 gestartet und geht bis Januar 2025.

Nutzen

Durch die Unabhängigkeit von Energienetzen werden Sensornetze möglich, die sicher und wartungsfrei sind und auch in netzfernen Umgebungen problemlos eingesetzt werden können.

Die Ergebnisse des Projekts EIOTI werden von den beteiligten Industriepartnern direkt genutzt, um angepasste IoT-Produkte wie z. B. energieautarken Sensoren und Basisstationen zu entwickeln. Durch die Anwendungen der gewonnenen Projektergebnisse sind die Unternehmen somit in der Lage, innovative Produkte zu entwickeln und dadurch ihre Marktchancen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) verbessern. Die Unternehmen haben durch das Projekt große Chancen, ihre Wachstums- und Wettbewerbsfähigkeit zu stärken.

Im Fokus liegen landwirtschaftliche Use Cases in ruralen Räumen mit schlechter Energieversorgungmöglichkeit. Darüber hinaus werden im Projekt weitere Anwendungsfälle im Smart-City-Bereich Umweltmonitoring und Katastrophenschutz evaluiert und am Ende werden einige davon für die Umsetzung als Demonstrator ausgewählt.