Wenn Energy Harvesting Pflicht ist: LoRaWAN zur ultra-frühen Waldbrand-Erkennung
Von Dániel Hollós, Pedro Silva, Carsten Brinkschulte – Dryad Networks
Früherkennung von Waldbränden mit LoRaWAN
LoRaWAN ist weithin bekannt für sein extrem stromsparendes Kommunikationsdesign, insbesondere im Klasse-A-Modus. Viele IoT-Geräte in realen Anwendungen müssen jedoch energieintensive Peripheriegerätemit Strom versorgen –von Metalloxid-Gassensoren über Feinstaubdetektoren bis hin zu Aktoren. Diese Komponenten verbrauchen deutlich mehr Energie als die drahtlose Übertragung selbst.
Die Herausforderung wächst mit der Einführung fortschrittlicher Funktionen wie Firmware Update Over the Air (FUOTA). FUOTA erfordert eine längere aktive Funknutzung, insbesondere im Class C-Modus, der weitaus mehr Strom verbraucht als Class A. Bei herkömmlichen batteriebetriebenen Geräten müssen solche Vorgänge selten und streng kontrolliert erfolgen.
Energy Harvesting verändert dieses Paradigma. Es ermöglicht IoT-Geräten den nachhaltigen Betrieb leistungsstarker Sensoren und fortschrittlicher Netzwerkfunktionen, ohne die Betriebslebensdauer zu beeinträchtigen.
Solarbetriebene Sensoren zur Erkennung von Waldbränden
Ein Praxisbeispiel liefert Dryad Networks: Das Unternehmen hat es sich zur Aufgabe gemacht, ultra-frühe Waldbranderkennung zu ermöglichen. Dafür setzt Dryad ein solares LoRaWAN-Sensor- und Gateway-Netzwerk ein, das über mehr als zehn Jahre vollständig autonom betrieben werden kann.
Die Herausforderung: Brandmelder verbrauchen bis zu 100-mal mehr Energie als das Senden einer LoRaWAN-Nachricht. Der Einsatz von fest eingebauten oder austauschbaren Batterien würde die Geräte unpraktisch, schwer, teuer oder umweltschädlich machen. Insbesondere brennbare Lithium-Ionen-Batterien sind für Waldgebiete keine Option.
Die Lösung: Durch die Integration von Solarenergie sorgt Dryad für einen zuverlässigen Betrieb in abgelegenen Gebieten, ohne dass Batterien ausgetauscht werden müssen oder menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Die Auswirkungen: Tausende von Geräten können kontinuierlich Umweltveränderungen erfassen, Warnmeldungen in Echtzeit senden und Firmware-Updates über Funk empfangen – völlig wartungsfrei.
Warum Energiegewinnung wichtig ist
In vielen IoT-Szenarien ist nicht die drahtlose Kommunikation die größte energiebezogene Herausforderung, sondern Sensoren und fortschrittliche Funktionen. Ohne Energy Harvesting stehen Entwickler vor schwierigen Kompromissen zwischen Gerätelebensdauer, Funktionalität und Kosten.
Energy Harvesting bietet eine erneuerbare und skalierbare Energiequelle und ermöglicht damit:
Erweiterte Energiebudgets: Häufigere Messzyklen und kontinuierlicher Betrieb von leistungsstarken Sensoren.
Erweiterte LoRaWAN-Funktionen: Mögliche Nutzung von Empfangsfenstern der Klasse C, robuste SF12-Datenraten und wiederholte FUOTA-Updates ohne Entladung der Batterien.
Ökologische Nachhaltigkeit: Geringere Abhängigkeit von großen, chemisch aggressiven Batterien. Stattdessen können Superkondensatoren und LiCaps verwendet werden, die eine längere Lebensdauer bieten und für empfindliche Umgebungen sicherer sind.
Entkopplung der Gerätelebensdauer von der Batteriegröße: Geräte sind nicht mehr von ihrer ursprünglichen Batteriekapazität abhängig; bei konstanter Eingabe können sie unbegrenzt lange betrieben werden.
Skalierbarkeit in großem Maßstab: Ermöglicht den Einsatz von Tausenden von Knoten in unzugänglichen Umgebungen, die jeweils über Jahre hinweg autonom arbeiten.
Im Wesentlichen verwandelt Energy Harvesting das IoT von kurzfristigen, batteriebegrenzten Systemen in langfristige, sich selbst tragende Infrastrukturen – eine Voraussetzung für die Skalierung von Anwendungen wie der Waldbranderkennung in ganzen Regionen.
Herausforderungen und Designüberlegungen
Trotz ihrer Vorteile bringt die Energiegewinnung neue Komplexitäten mit sich. Die Energiezufuhr ist variabel: Die Sonneneinstrahlung hängt vom Wetter, den Jahreszeiten und dem Standort ab. Die Geräte müssen sich daher intelligent anpassen, indem sie ihren Betrieb entsprechend der verfügbaren Energie skalieren.
Speicherung und Überlebensfähigkeit: Systeme benötigen eine robuste Energiespeicherung – Superkondensatoren oder LiCaps – um Zeiten mit geringer Energiezufuhr zu überbrücken.
Adaptiver Duty Cycle: Die Geräte müssen ihren Betrieb unter schlechten Bedingungen dynamisch reduzieren und ihre Leistung bei reichlich vorhandener Energie maximieren.
Vorausschauendes Energiemanagement: Algorithmen müssen die zukünftige Verfügbarkeit vorhersagen und so die Zuverlässigkeit des Systems auch bei längerer Bewölkung oder saisonalen Tiefstständen gewährleisten.
Dank der Fortschritte bei Ultra-Low-Power-Prozessoren, intelligentem Energiemanagement und dynamischem Duty Cycling lassen sich diese Herausforderungen zunehmend lösen. IoT-Geräte können nun auch unter wechselnden Bedingungen widerstandsfähig und autonom arbeiten.
Fazit
Energy Harvesting entwickelt sich rasch zu einem Eckpfeiler des IoT-Systemdesigns. In Verbindung mit der Effizienz von LoRaWAN ermöglicht es nachhaltige, langfristige Einsätze, bei denen herkömmliche batteriebetriebene Geräte versagen würden.
Das Beispiel von Dryad Networks zeigt, wie dieser Ansatz Folgendes ermöglicht:
Ultrafrühe Erkennung von Waldbränden mit solarbetriebenen Sensoren
Autonomie über mehr als ein Jahrzehnt ohne Wartung
Skalierbare Einsätze in ganzen Wäldern
Umweltfreundlichere Energiespeicherlösungen
Für das IoT in abgelegenen, infrastrukturell schwachen oder umweltsensiblen Umgebungen ist Energy Harvesting keine Option, sondern eine unverzichtbare Voraussetzung für Resilienz, Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit.
Über die Autoren
Dániel Hollós, Pedro Silva und Carsten Brinkschulte arbeiten für Dryad Networks. Dryad entwickelt Lösungen zur frühzeitigen Erkennung von Waldbränden sowie Technologien zur Überwachung des Gesundheitszustands und des Wachstums von öffentlichen und privaten Wäldern.
