Die Theorie in der Praxis

Bild 1: Vergleich von Funk-Technologien © Hochschule Offenburg

Um die theoretischen Werte und Einschätzungen (siehe Bild 1) zu verifizieren, wurden von der Hochschule Offenburg in enger Zusammenarbeit mit der Firma Newtec mehrere Laborversuche durchgeführt. Zwei Messreihen aus diesen Versuchen seien im Folgenden exemplarisch vorgestellt.

Bild 2: Die LoRa-Technologie erreicht in einem Gebäude wie hier dargestellt mit Stahl­betonwänden und -böden sehr gute Übertragungswerte; sogar der Empfänger im Serverraum (kleiner Raum rechts) liefert trotz der ­zusätzlichen hochfrequenten Störquellen gute Werte (97,7 %). © Hochschule Offenburg

Die erste Messreihe wurde in einem Gebäude mit Stahlbetonwänden durchgeführt. Dieses Setup repräsentiert zum Beispiel Anlagen, die über mehrere Gebäude verteilt sind. Bild 2 zeigt den Messaufbau und die kumulierte fehlerfreie Paketrate. Gemessen an der gewählten Frequenz (2,4 GHz), der geringen Sendeleistung (1 mW, 0 dBm) und einer kleinen Antennengeometrie (verkürzter Monopol), sind diese Ergebnisse durchaus bemerkenswert. Mit anderen Worten: Im Vergleich mit bereits bestehenden sicheren Funklösungen lässt sich durch LoRa das Einsatzspektrum erweitern, da Wände und Decken nicht länger als unüberwindbare Hindernisse gelten.

Bild 3: Aufgrund des hohen Salzgehaltes und der gewählten hohen Frequenz von 2,45 GHz ist die Absorp-tion der elektromagnetischen Wellen sehr groß; daher dürfte nahezu kein Signal die Tonne mehr verlassen. Da der Empfänger aber besonders signalempfindlich (>120 dBm) ist, können trotzdem in einem gewissen Rahmen Signale empfangen werden. © Hochschule Offenburg

In einer weiteren Messreihe wurde versucht, einen komplett verschmutzten Sensor oder Aktor zu simulieren, der zum Beispiel von Ölsand bei einem Förderband oder salzhaltigem Schneematsch bei einem Streufahrzeug umgeben ist. Der Sender wurde hierzu in einer Plastiktonne platziert, die mit einem Salz-Wasser-Gemisch (Salzgehalt von 0,77 % bei 26 °C) befüllt wurde (siehe Bild 3). Die Messungen ergaben eine kumulierte fehlerfreie Paketrate von 94,5 % bis zu einem maximalen Abstand von 0,1 m. Fazit: Bei LoRa ist sichergestellt, dass ein von Dreck und Schmutz umgebener Sensor immer noch über Funk erreichbar ist. Bei größeren Abständen wurde allerdings ein drastischer Anstieg der Fehlerrate beobachtet, bei der sich eine sichere Funkübertragung nicht mehr gewährleisten ließ.

Als Vergleichsmessung wurde dieselbe Versuchsreihe mit Standard-Bluetooth-Modulen durchgeführt. Mit diesem Aufbau konnte kein Datenpaket empfangen werden – selbst bei Reduzierung der Dicke der Wasserschicht auf nahezu Null. Generell ließ sich bisher kein vergleichbares Sensorfunksystem im Markt finden, bei dem dieser Test funktioniert. Insofern hat die LoRa-Technologie in diesem Punkt sogar ein Alleinstellungsmerkmal aufzuweisen.

Relevanz für Safety-Anwendungen

Durch die Art und Weise der LoRa-Kommunikation werden zwei elementare Grundsätze der Funktionalen Sicherheit bereits erfüllt. Einerseits kann ein redundantes System mit unterschiedlichen Frequenzen und Chip-Herstellern aufgebaut werden, da die Technologie mittlerweile von mehreren Herstellern und für verschiedene Frequenzbänder erhältlich ist. Andererseits adressiert dieser Ansatz die Diversität, da zwei Frequenzbänder mit unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen benutzt werden können. Durch unterschiedliche Hersteller und somit unterschiedliche Herstellungsprozesse der Chips wird die Diversität weiter unterstützt.

Insofern ist die Einsetzbarkeit der LoRa-Technologie in sicherheitsrelevanten Systemen prinzipiell denkbar. Ein mögliches Realisierungskonzept könnte wie folgt aussehen: Es sollen physikalische Messdaten erfasst, drahtlos übertragen und verarbeitet werden, um einen Aktor anzusteuern. Hierzu wird das Datenerfassungssystem zweikanalig redundant ausgelegt, die Funkübertragungsstrecke ist in diesem Fall diversitär mit zwei LoRa-Modulen umgesetzt. Die Diversität wird hierbei – wie bereits angesprochen – durch die Verwendung von Modulen unterschiedlicher Hersteller in verschiedenen Frequenzbändern realisiert.

Bild 4: Ein mögliches Konzept neuer Drahtlos-Anwendungen im Bereich der 'Funktionalen Sicherheit' auf Basis der LoRa-Technologie. © Hochschule Offenburg

Dieses Verfahren stellt sicher, dass die Daten korrekt übermittelt wurden. Es ist unwahrscheinlich, dass systematische sowie zufällige Fehler genau dasselbe Fehlerbild in solch unterschiedlich ausgelegten Kommunikationsverbindungen hervorrufen. Auf diese Weise ist hier also eine 1oo2-Lösung realisierbar. Bei Nutzung einer weiteren Frequenz könnte auch ein 2oo3-System aufgebaut werden. Eine Herausforderung wird es sein, trotz der erhöhten Latenzzeiten, die Funkübertragungsstrecken in der Regel mit sich bringen, die 'Process Safety Time' im jeweiligen Anwendungsfall einzuhalten. Im Allgemeinen liegt  der möglich Einsatzbereich von LoRa in Anwendungen, bei denen es nicht auf hohe Datenraten, sondern auf eine robuste Übertragung ankommt. Beispiele hierfür sind Aktoren wie Ventile und Stellglieder oder Sensoren wie Nährungsschalter, Füllstandschalter oder einfache Temperaturüberwachungen. Wie bei jedem Einsatz im SIL-Umfeld gilt es dabei, die komplette Sicherheitskette zu betrachten – von der Datenaufbereitung, über die Übertragung bis zur Datenauswertung und anschließender Systemreaktion.

Bild 5: Die benötigte Hardware ist einfach gehalten: Ein Senderchip (EM9203) sowie ein Modulatorchip (EM9101) werden über einen State-of-the-art-Controller – in diesem Fall ein Cortex M3 – angesteuert. © Hochschule Offenburg

Als reales Anwendungsszenario für LoRa wäre zum Beispiel folgendes vorstellbar: Ein Industriearbeiter befüllt ein Depot mit Rohmaterial, welches von einem Roboter aufgegriffen, in eine Industriepresse gelegt und nach der Bearbeitung wieder entnommen, in einem zweiten Depot abgelegt und schließlich durch den Arbeiter zur Weiterverarbeitung abgeholt wird. Da der Grundsatz der Funktionalen Sicherheit ‚Schutz des Menschen vor Verletzung oder Tod‘ oberste Priorität hat, wird der gefährliche Bereich rund um den Roboter und die Industriepresse eingezäunt und die Zufahrtswege zu den Depots werden mit Lichtgitterschranken versehen.

Betritt der Arbeiter den gefährlichen Bereich durch die Lichtgitter, muss die Sicherheitsapplikation diese Gefahr erkennen und Maßnahmen ergreifen – sprich den Roboter und die Presse stoppen bevor eine Person verletzt oder getötet wird. Aus einem sicheren Zustand lässt sich das System nur starten, wenn der Arbeiter das System wieder frei gibt.

Die Sicherheitslogik mit der Steuerung des Roboters und der Industriepresse, Auswertung der Lichtgittersignale und des Reaktivierungssignals ließe sich beispielsweise durch SafeFlex realisieren. Dieses Evaluationsboard der Firma Newtec erfüllt die Anforderungen an ein funktional sicheres zweikanaliges Design auf FPGA-Basis und ist vom TÜV Rheinland auf SIL 3 geprüft. Ein schneller Produktionswechsel von Auftrag A zu Auftrag B, der in der SafeFlex-Konfiguration hinterlegt ist, würde in diesem Beispiel mittels LoRa etwa über die Frequenz 2,4 GHz von einer zentralen Steuerungseinheit des Unternehmens initiiert. Das Reaktivierungssignal aus dem sicheren Zustand könnte ebenfalls über LoRa – zum Beispiel über die 868-MHz-Frequenz – übertragen und die Presse sowie der Roboter von der Sicherheitslogik SafeFlex gestartet werden.

Die Grenzen von LoRa

Mit der LoRa-Technologie geht man den Weg, die zur Verfügung stehende Bandbreite des Frequenzbandes zu nutzen, um die Robustheit zu erhöhen und gleichzeitig eine große Funkreichweite zu erhalten. Dadurch reduzieren sich die nutzbaren Daten auf etwa 1 bis 1,7 kBaud. Diese Datenraten eignen sich nicht für Anwendungen, in denen hohe Datenvolumina zu übertragen sind, wie zum Beispiel bei der Bildübertragung oder bei Hochgeschwindigkeitssensoren mit sehr hoher Verfügbarkeit.

Eine weitere Limitierung des Einsatzbereiches ist dem proprietären Protokollansatz geschuldet. LoRa genügt momentan noch keinen Standardkommunikationsprotokoll, wie Bluetooth, ZigBee oder WirelessHart es verwenden. Somit ist LoRa als eigenständige Lösung zu betrachten, die über so genannte Gateways kompatibel gemacht werden muss. Nicht zuletzt wird der geschilderte Ansatz tendenziell mehr in einfachen Netzwerk-Sterntopologien zu finden sein, da durch die limitierten Datenraten Multihop-Verbindungen eher an Grenzen stoßen.

Die Preise für reine LoRa-Chipsätze liegen zwischen 2 und 3 Euro. Fertige Module, bei denen allerdings noch ein gewisser Implementierungsaufwand notwendig ist, sind bereits für etwa 15 Euro zu bekommen.

Autoren:
Judith Braunmiller ist Projektleiterin im Bereich IEC 61508 bei Newtec;
Harald Molle ist Geschäftsführer der Firma Newtec;
Prof. Dr. Thomas Wendt ist Professor für Elektrotechnik Fakultät B+W an der Hochschule Offenburg.

Vor- und Nachteile von LoRa

• Weltweiter Einsatz, da die internationalen ISM-Bänder benutzt werden
• Sehr robust gegenüber Störungen, somit erweiterter Einsatzbereich
• Sehr sicher, da das Sendesignal kaum für Fremde zu detektieren und somit zu manipulieren ist
• Einfacher Aufbau (Grundaufbau: zwei Chips + Antenne) und die Möglichkeit, ein eigenes Protokoll zu benutzen
• Chipsatz- und Modulpreis unter 20 Euro
• Limitierte Datenrate: <2 kBaud