Das Internet der Dinge ist einer der Megatrends unserer Zeit. Die Verknüpfung des Internets mit der realen Welt wird bereits als vierte industrielle Revolution oder auch Industrie 4.0 bezeichnet. Das Ziel ist es die reale Welt für das Netzwerk zu beschreiben und somit die Vorteile der Vernetzung für weite Teile von industriellen Prozessen oder Heimanwendungen nutzbar zu machen. Die Schwierigkeit besteht nun darin reale Zustände wie „Luft ist feucht“ oder „Licht ist zu schwach“ für das Netzwerk erfassbar zu machen.

Hier kommt moderne, verknüpfbare Sensortechnik ins Spiel. Intelligente Sensoren können Zustände wie Lichtstärke, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Luftdruck oder Bewegungen im Raum erfassen und dem Netzwerk als Information verfügbar machen. Mit diesen Daten können Programme intelligente Steuerungen umsetzen, welche beispielsweise eine bedarfsgerechte Betätigung der Klimatisierung oder der Lichtanlage erlauben.

Eine große Rolle spielt das Erfassen der Umgebungszustände auch in der Produktion. Hierdurch können Materialflüsse besser gesteuert, Maschinenparameter in Echtzeit eingestellt und sogar Wartungsprogramme bedarfsgerecht verbessert werden. Dies optimiert Wartungskosten, minimiert Stillstandszeiten und trägt somit zu einer höheren Effektivität bei. Durch intelligente Sensoren kann oftmals sogar eine Investition in moderne vernetzte Maschinen verhindert werden, sodass der bestehende Maschinenpark durch eine Ergänzung mit moderner Sensorik auf den Stand der Technik aufgewertet wird.

Dieser Artikel soll eine Übersicht über die zur Verfügung stehenden Sensortechniken geben und deren Anwendungsbereiche beschreiben:

Temperatursensoren

Viele Prozesse erfordern eine bestimmte Umgebungstemperatur oder/und Gerätetemperatur. Die Aufrechterhaltung angemessener Bedingungen während der Lagerung und des Transports von empfindlichen Waren (z.B. pharmazeutische Produkte oder Lebensmittel) ist entscheidend für die Qualität der Lieferung dieser Waren. Ein zuverlässiges Temperaturmanagement ist unerlässlich, um den bestmöglichen Zustand des Produktes zu gewährleisten. Die Temperaturkontrolle ist ein wirksames Mittel, um das Bakterienwachstum zu verlangsamen, die Qualität zu erhalten und den Verderb zu minimieren. Darüber hinaus haben Temperatursensoren Einzug in die Raumautomation gehalten, um Aktoren wie Heiz- und Kühlventile oder Lüftungsklappen auf Basis der Umgebungsbedingungen präzise zu steuern.

Feuchtigkeitssensoren

Relative Luftfeuchtigkeit (Relative Humidity, RH) und Temperatur gehen fast immer Hand in Hand. Durch Kenntnis der Luftfeuchtigkeit lassen sich Maßnahmen gegen die Bildung von Kondenswasser und damit gegen einen möglichen gesundheitsgefährdenden Schimmelpilzbefall in Wohn- und Arbeitsräumen ergreifen. Zu den wichtigsten Einsatzgebieten gehören Industrie- und Büroumgebungen für die Heizungs-, Lüftungs- und Klimakontrolle.

Infrarot Thermosensoren

Infrarotsensoren sind eine geeignete Option für Anwendungen, die Oberflächentemperaturen und Objektbewegungen erfassen müssen. Sie eignen sich als Präsenzmelder in Sicherheitssystemen, für die Patientenerkennung im medizinischen Umfeld oder für die Temperaturmessung in der industriellen Prozesskontrolle.

Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren arbeiten ähnlich wie Radar und Sonar und werden zur Erfassung der Anwesenheit oder zur Messung der Entfernung von Personen/Objekten eingesetzt. Sie können auch zur Bestimmung des Füllstandes von flüssigem oder festem Material in geschlossenen Behältern verwendet werden. Ultraschallsensoren erkennen Objekte unabhängig von Material, Farbe oder Oberfläche und sind eine zuverlässige Lösung für raue und anspruchsvolle Einsatzbedingungen.

Präsenzmelder

Ein Präsenzmelder ist ein Gerät, das dazu dient, physische Anwesenheit oder Abwesenheit zu erkennen. Er überwacht den Erfassungsbereich auf Basis von Infrarot – wird eine Person erfasst, löst der Melder automatisch eine Aktion aus, wie z.B. das Einschalten der Beleuchtung.

Lichtsensoren

Lichtsensoren sind elektronische Geräte, die die Intensität von Tageslicht oder künstlichem Licht anzeigen. Sie sind vielseitig im industriellen und kommerziellen Umfeld einsetzbar. Sie können beispielsweise die Beleuchtungsstärke in einem Raum erkennen und die Jalousien anheben / absenken oder die Beleuchtung automatisch ein- / ausschalten, um den Komfort in einem Raum zu verbessern.

CO₂ Sensoren

CO₂ Sensoren werden eingesetzt, um Veränderungen der Luftqualität zu überwachen und die Konzentration von Kohlenstoffdioxid zu messen. Sie werden häufig zur Überwachung der Raumluftqualität in Bürogebäuden, Schulen, Krankenhäusern oder Smart Homes eingesetzt. Darüber hinaus sind sie für die Echtzeitüberwachung von Qualität, Frische und Sicherheit von Agrar- und Lebensmittelprodukten geeignet, da Kohlendioxid zum Schutz vor dem Wachstum von Bakterien und Pilzen eingesetzt werden kann.

Luftdrucksensoren

Barometrische Drucksensoren messen Druckschwankungen der Atmosphäre und spielen eine wichtige Rolle bei der Prozess- und Qualitätskontrolle im industriellen Umfeld. Sie werden überall dort eingesetzt, wo eine ständige Überwachung und Regelung des Luftdrucks für die Betriebsabläufe entscheidend ist. Ihr Einsatz ist ideal für Reinräume, Krankenhäuser und Computerräume.

Hier gibt es weitere Informationen zum Thema zustandserfassende Sensoren.

Spezielle Techniken zur Indoor Positionsbestimmung braucht man überall dort, wo GPS nicht funktioniert, also vor allem in Gebäuden. Die am weitesten verbreiteten Methoden sind WLAN und Bluetooth Beacons. Zusätzlich wird meist auf die verschiedenen Sensoren des Smartphones (u.a. Barometer, Beschleunigungssensor, Gyroskop, Magnetometer) zurückgegriffen, die das Ergebnis noch genauer machen.

Neben den genannten Methoden gibt es auch seltener verwendete Technologien wie die Positionsbestimmung durch Nutzung des des Erdmagnetfeldes, mittels Visible Light Communication (VLC), QR-Codes, Augmented Reality mit Bilderkennung oder akustischer Signale. Für sehr präzises Asset-Tracking im Industrieumfeld ist Ultra-wideband eine interessante Möglichkeit.

Ein wichtiger Unterschied: Clientbasierte und serverbasierte Ortung

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Techniken zur Indoor Positionsbestimmung.

Endgerätbasierte (clientseitige) Positionierung wird meist mit Beacons oder WLAN Accesspoints umgesetzt. Diese senden regelmäßig Signale. Das Endgerät analysiert die Signalcharakteristik und gleicht sie mit einer Referenzdatenbank ab. Hierzu ist eine App notwendig, an die auch Nachrichten gesendet werden können (Rückkanal). Die Position wird direkt auf dem Endgerät bestimmt, was dem Nutzer ein Höchstmaß an Datenschutz bietet. Diese Methode kommt üblicherweise bei der klassischen Indoor Navigation mittels Smartphone App zum Einsatz.

Infrastrukturbasierte (serverseitige) Positionierung kehrt das oben beschriebene Verfahren um. Ein WiFi-fähiges Endgerät/Tag oder ein Bluetooth Beacon sendet Signale aus (MAC-Adresse), die von einer spezifischen Hardware detektiert und an einen Server weitergeleitet werden. Im Backend werden die ermittelten Messdaten abgeglichen, interpoliert und in weiteren Systemen dargestellt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass auch Geräte ohne App erfasst und analysiert werden können. Mit serverseitigen Installationen sind Asset-Tracking, Laufweganalysen und Sicherheitslösungen umsetzbar.

Mehr Informationen zu clientbasierter und serverbasierter Indoor Positionsbestimmung.

Clientseitige Indoor Positionsbestimmung mit Bluetooth und WLAN: Vor- und Nachteile   

Die Bluetooth-Technologie ist an sich nicht neu. Doch erst in letzter Zeit ergeben sich mit der energiesparenden Bluetooth-Variante BLE (Bluetooth Low Energy) erweiterte Einsatzmöglichkeiten. Bluetooth Beacons sind relativ günstig (ca. drei bis 30 Euro), können bis zu zwei Jahre mit einer Knopfzelle oder über zehn Jahre mit größeren Batterien betrieben werden und haben eine Reichweite von maximal 30 Metern. Die Genauigkeit liegt bei einem bis drei Metern. Zur Positionsbestimmung sind mehrere Beacons notwendig, aus deren Signalen mittels Fingerprinting-Verfahren der Standort berechnet wird. Neben dem günstigen Anschaffungspreis und der einfachen Installation ist der große Vorteil von Beacons, dass sie mit den mobilen Betriebssystemen Android UND iOS funktionieren. Das ist bei WLAN nicht der Fall.

WLAN-Accesspoints befinden sich bereits in den meisten Gebäuden, zum Beispiel in Form von Kunden-Hotspots oder Kassensystemen. Der User muss sich nicht mit dem WLAN verbinden, eingeschaltetes WLAN genügt. Deshalb ist es verlockend, WiFi auch gleich für die Indoor-Positionsbestimmung zu nutzen.

iPhones mit dem Betriebssystem iOS ab Version 4.3 unterstützen jedoch die clientseitige Ortung via WLAN nicht. Apple setzt hier exklusiv auf die iBeacon-Technologie. Das heißt, dass bei einem clientbasierten Indoornavigations-Projekt, das ausschließlich mit WLAN arbeitet, alle Apple-Devices ausgeschlossen wären. Weitere Nachteile von WLAN sind relativ hohe Latenzzeiten und eine im Vergleich zu Beacons ungenauere Ortung (Genauigkeit: 10-15 Meter).

Serverseitige Indoor Positionsbestimmung

Mit spezieller Hardware (etwa Ultra-wideband) sind weitere interessante Anwendungsfälle umsetzbar. Zum Beispiel kann ein Krankenhaus jederzeit den Aufenthaltsort von teurer Medizintechnik feststellen, ein Flughafen die Besucherströme auf seinem Gelände messen oder der Werkschutz einer großen Industrieanlage bei einem Notfall leichter alle Mitarbeiter finden und evakuieren. Alle diese Anwendungen funktionieren serverbasiert, es wird also keine App benötigt.

Individuelle Lösungen sind gefragt

Die technischen Möglichkeiten, eine Indoor-Positionsbestimmung zu realisieren, sind vielfältig. Welche Technologie zum Einsatz kommt, hängt ganz vom Einsatzzweck, den Gegebenheiten vor Ort und den Wünschen des Kunden ab. Wer sich einen groben Überblick verschaffen möchte, kann sich durch den „Indoor Wegweiser“ klicken. Hier werden Schritt für Schritt die Anforderungen an das Projekt abgefragt und eine Lösung vorgeschlagen.

1. Warum kann man in Gebäuden kein GPS verwenden?

In Gebäuden, unter Wolkendecken und in Häuserschluchten fehlt der Sichtkontakt zu den GPS-Satelliten.

2. Was ist der Unterschied zwischen clientseitiger und serverseitiger Ortung?

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Techniken zur Indoor Positionsbestimmung.

http://dev.process.vogel.de/wp-api/index.cfm

Endgerätbasierte (clientseitige) Positionierung wird meist mit Beacons oder WLAN Accesspoints umgesetzt. Diese senden regelmäßig Signale. Das Endgerät analysiert die Signalcharakteristik und gleicht sie mit einer Referenzdatenbank ab. Hierzu ist eine App notwendig, an die auch Nachrichten gesendet werden können (Rückkanal). Die Position wird direkt auf dem Endgerät bestimmt, was dem Nutzer ein Höchstmaß an Datenschutz bietet.

Infrastrukturbasierte (serverseitige) Positionierung kehrt das oben beschriebene Verfahren um. Ein WiFi-fähiges Endgerät/Tag oder ein Bluetooth Beacon sendet Signale aus (MAC-Adresse), die von einer spezifischen Hardware detektiert und an einen Server weitergeleitet werden. Im Backend werden die ermittelten Messdaten abgeglichen, interpoliert und in weiteren Systemen dargestellt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass auch Geräte ohne App erfasst und analysiert werden können.

Mehr Informationen zu clientbasierter und serverbasierter Indoor Positionsbestimmung.

3. Welche clientbasierten Ortungsmethoden werden am häufigsten verwendet und welche Vor- und Nachteile haben sie?

WLAN und Beacons in Kombination mit den Smartphone-Sensoren kommen am häufigsten zum Einsatz.

4. Was sind Beacons?

Es handelt sich dabei um kleine Sender, die einfache Signale an Geräte in ihrer Umgebung aussenden. Empfangen können sie nicht. Moderne Beacons (dt. „Leuchtfeuer“) basieren auf dem energiesparenden Bluetooth Low Energy Standard. Beacons bestehen aus einer winzigen Sendeeinheit und einer mehr oder weniger großen Batterie. Die Lebensdauer beträgt dementsprechend von wenigen Tagen bis zu mehrere Jahre. Die Batterie kann einfach ausgetauscht werden. Der Preis liegt zwischen drei und dreißig Euro. Die bekanntesten Beacon-Profile sind iBeacon von Apple und Eddystone von Google.

5. Gibt es bei WLAN und Beacons die Gefahr der Abschirmung oder Interferenzen?

Die Signale können durch verschiedene Materialien wie Holz-, Beton- oder Metallwände abgeschirmt werden. Bei der Installation an Säulen im Raum muss man das ebenso beachten. Der beste Platz für die Installation liegt in etwa 2,5 bis 4 Metern Höhe. Auf niedrigerer Höhe können Menschen die Signale abschirmen. 

Beacons beeinflussen andere Signale nicht und auch medizinische Geräte bleiben ungestört. Installiert man jedoch Beacons in einem Raum mit sehr vielen WiFi-Signalen (zum Beispiel auf einer Messe), können Interferenzen auftreten, da sich BLE und WiFi den gleichen Frequenzbereich (2,4 GHz) teilen. Durch intelligente Konfiguration kann das Problem aber umgangen werden.

6. Wie genau ist Indoor Positionsbestimmung?

Die Genauigkeit hängt stark von den Gegebenheiten im Gebäude (z.B. Abschirmung) und der Hardwaredichte (WiFi-Access Points, Bluetooth Beacons) ab. Einfach ausgedrückt: Je mehr Hardware – je engmaschiger das Netz – desto höher ist die Genauigkeit. Die Position kann mit Beacons bis auf 1-3 Meter und mit WLAN bis auf 5-15 Meter genau bestimmt werden.