IoT-Sensoren sind kleine Geräte, die etwas in der physischen Welt messen, etwa die Temperatur, eine Bewegung, Wasser oder eine sich öffnende Tür, und diesen Messwert über ein Netzwerk an eine Software schicken, wo Menschen und Systeme ihn nutzen können. Das „IoT“, kurz für Internet of Things, steht für die Verbindung: Ein Thermometer an der Wand zeigt seine Zahl nur dem, der gerade vorbeigeht. Ein IoT-Temperatursensor schickt dieselbe Zahl alle paar Minuten an ein Dashboard, das Sie von überall aufrufen können, und an Regeln, die reagieren können, sobald sie sich ändert.

Spannend sind IoT-Sensoren heute vor allem, weil ihre Installation so wenig Aufwand macht. Viele laufen jahrelang mit einer Batterie, brauchen kein Kabel und funken an ein Gateway, das weit entfernt stehen kann. Deshalb lassen sich Projekte, für die man früher einen Elektriker und eine Firma für Gebäudeleittechnik brauchte, heute mit einer Handvoll Sensoren beginnen, die einfach an die Wand geklebt werden. Der eigentliche Planungsaufwand liegt darin, die richtigen auszuwählen und ihre Daten an einem Ort zusammenzuführen.

Kurz erklärt

  • Ein IoT-Sensor besteht aus einem Messelement, einem kleinen Prozessor, einem Funkmodul und einer Stromquelle, meist einer Batterie.
  • Gängige Typen messen Raumklima, Luftqualität, Belegung, Türen, Leckagen, Füllstände, Vibration, Energie und Position.
  • Ein IoT-Sensornetzwerk transportiert die Messwerte von den Sensoren über Gateways und einen Netzwerkserver zu einer Plattform.
  • Die Batterielaufzeit hängt vor allem davon ab, wie oft ein Sensor sendet und wie weit er von seinem Gateway entfernt ist.

Welche Arten von IoT-Sensoren gibt es?

Es gibt Hunderte Sensormodelle, doch die meisten lassen sich wenigen Familien zuordnen. Diese Tabelle zeigt die, die in den meisten Projekten in Gebäuden, Liegenschaften und der Industrie vorkommen:

Sensortyp Was er misst Typische Einsatzbereiche
Temperatur und Luftfeuchte Luft- oder Oberflächentemperatur, relative Luftfeuchte Büros, Kühlräume, Serverräume, Schimmelvorbeugung
Luftqualität CO₂, VOC, Feinstaub Besprechungsräume, Klassenzimmer, Lüftungssteuerung
Bewegung und Belegung Anwesenheit per Infrarot (PIR), Radar oder Personenzählung Raumnutzung, Beleuchtung, Sicherheit
Tür- und Fensterkontakt Offen oder geschlossen, per Magnet und Reedschalter Sicherheit, Kühlraumtüren, Energieverschwendung
Wasserleck Wasser an einer Sonde oder entlang eines Sensorkabels Technikräume, unter Spülbecken, Serverräume
Füllstand und Abstand Abstand zu einer Oberfläche per Ultraschall oder Radar Tanks, Abfallbehälter, Brunnen, Schneehöhe
Vibration und Neigung Beschleunigung, Vibrationsstärke, Winkel Pumpen, Motoren, Bauwerke, Masten
Energie und Impulse Strom-, Wasser- oder Gasverbrauch Verbrauchsmessung, Verbrauchsprofile
GPS-Tracker Position und Bewegung Fahrzeuge, Container, Geräte

Im Inneren sind die meisten dieser Geräte ähnlich aufgebaut: das eigentliche Messelement, ein stromsparender Mikrocontroller, der es ausliest und den Wert in eine kurze Nachricht packt, ein Funkmodul und eine Batterie oder externe Stromversorgung. Das Messelement bestimmt, was das Gerät messen kann; das Funkmodul bestimmt, wohin seine Daten gelangen können. Zwei Sensoren, die dasselbe messen, können völlig inkompatibel sein, wenn sie unterschiedliche Funktechnik nutzen.

Prüfen Sie beim Kauf deshalb früh die Funktechnik. Ein guter Sensor für Ihr Projekt misst das Richtige mit der nötigen Genauigkeit, hält der Umgebung am Einbauort stand, nutzt eine Funktechnik, die Ihr Netzwerk empfangen kann, und liefert seine Daten in einem dokumentierten Format. Kilo Electronics führt LoRaWAN-Sensoren und -Geräte für die meisten Familien aus der Tabelle, und Sensoren beliebiger Hersteller funktionieren, solange sie zu Ihrem Netzwerk passen.

Wie funktioniert ein IoT-Sensornetzwerk?

Ein IoT-Sensornetzwerk ist die Kette, die jeden Messwert vom Sensor zur Software bringt. Unabhängig von der Funktechnik besteht sie aus denselben fünf Gliedern:

  1. Der Sensor misst und sendet eine kurze Nachricht, oft nur wenige Bytes.
  2. Die Funkverbindung überträgt die Nachricht per Funk.
  3. Ein Gateway oder eine Basisstation empfängt sie und gibt sie per Ethernet, WLAN oder Mobilfunk ins Internet weiter.
  4. Ein Netzwerkserver prüft die Nachricht, entfernt Duplikate, wenn mehrere Gateways sie empfangen haben, entschlüsselt sie und reicht sie weiter.
  5. Eine Plattform dekodiert die Bytes in Werte, speichert sie und macht sie in Dashboards, Regeln und Alarmen nutzbar.

Der Großteil des Datenverkehrs fließt in eine Richtung, vom Sensor zur Plattform; diese Nachrichten heißen Uplinks. Nachrichten in die Gegenrichtung, Downlinks, dienen dazu, die Einstellungen eines Sensors zu ändern oder einen Aktor wie ein Ventil oder Relais zu schalten. Batteriesensoren hören meist nur kurz nach dem Senden auf Downlinks, daher kommt eine Konfigurationsänderung unter Umständen erst mit der nächsten Meldung des Sensors an. Netzbetriebene Geräte können ständig empfangen und innerhalb von Sekunden reagieren.

Die wichtigste Entscheidung bei der Planung ist die Funktechnik, denn sie bestimmt Reichweite, Batterielaufzeit und die Zahl der benötigten Gateways.

Funktechniken mit kurzer Reichweite wie WLAN, Bluetooth Low Energy und Zigbee decken einen Raum oder ein Stockwerk ab. WLAN ist praktisch, wo es ohnehin vorhanden ist, verbraucht aber viel Strom. Zigbee bildet ein Mesh-Netz, in dem netzbetriebene Geräte Nachrichten für batteriebetriebene weiterreichen, was innerhalb eines einzelnen Gebäudes gut funktioniert.

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) wurden genau für diese Aufgabe entwickelt: kleine Nachrichten, große Reichweite und jahrelanger Batteriebetrieb. LoRaWAN ist am weitesten verbreitet; ein Gateway kann in der Stadt typischerweise Hunderte Geräte über einige Kilometer versorgen, auf freiem Feld noch weiter. mioty ist ein neuerer ETSI-Standard (TS 103 357), der jede Nachricht in viele kurze Funkbursts aufteilt. Das macht ihn robust in dichten, störungsreichen Umgebungen und erlaubt einer einzigen Basisstation, sehr viele Sensoren zu bedienen. Auch Mobilfunkbetreiber bieten LPWAN-Konnektivität an, etwa NB-IoT und LTE-M; dabei funkt der Sensor direkt ins Netz des Betreibers, und Sie brauchen kein eigenes Gateway.

Beim Schritt zur Plattform ist mehr Übersetzungsarbeit nötig, als viele erwarten. Jedes Sensormodell sendet seine Daten in einem eigenen Byte-Format, also muss ein Decoder (manchmal auch Codec genannt) Bytes wie 01 0A F3 in „Temperatur 21,5 °C“ übersetzen. Außerdem benennen verschiedene Hersteller denselben Messwert unterschiedlich, sodass in einem gemischten Netzwerk am Ende „temp“, „temperature“ und „t_air“ alle dasselbe bedeuten. Eine brauchbare Plattform lässt Sie diese Namen auf einen einzigen abbilden, bevor Sie Dashboards aufbauen.

Wie lange hält die Batterie eines IoT-Sensors?

Für batteriebetriebene IoT-Sensoren werden üblicherweise Laufzeiten von zwei bis zehn Jahren oder mehr angegeben. Die Angabe im Datenblatt setzt ein bestimmtes Sendeintervall und gute Funkbedingungen voraus, und zwei Einstellungen, die Sie selbst in der Hand haben, verändern sie erheblich.

Sendeintervall. Senden ist das, was einen Sensor am meisten Energie kostet. Ein Beispiel mit runden Zahlen: Wird ein Sensor, der bei einer Meldung alle 15 Minuten für sechs Jahre ausgelegt ist, auf eine Meldung alle 5 Minuten umgestellt, sendet er dreimal so oft. Da das Senden seinen Energieverbrauch dominiert, ist eher mit zwei bis drei Jahren Laufzeit zu rechnen als mit sechs. Viele Sensoren bieten einen Kompromiss: selten melden, solange sich nichts ändert, und sofort, wenn etwas passiert, etwa wenn eine Tür aufgeht oder Wasser erkannt wird.

Abstand zum Gateway. Bei LoRaWAN wird ein Sensor, der weit von seinem Gateway entfernt ist, angewiesen, einen höheren Spreading Factor zu verwenden. Dadurch wird jede Nachricht robuster, ihre Sendedauer (Airtime) aber deutlich länger. Eine kurze Nachricht kann bei der langsamsten Einstellung etwa 25- bis 30-mal länger zum Senden brauchen als bei der schnellsten, und der Batterieverbrauch steigt entsprechend. Ein zusätzliches Gateway näher an einer Gruppe weit entfernter Sensoren kann deren Batterielaufzeit deutlich verlängern.

Auch die Temperatur spielt eine Rolle. Batterien verlieren in der Kälte Kapazität, deshalb erreicht ein Sensor in einem Tiefkühlraum oder im Winter im Freien nicht die Laufzeit, die für Raumtemperatur angegeben ist. Sensoren für solche Orte nutzen meist Lithiumzellen, die niedrige Temperaturen besser vertragen. Lithium-Thionylchlorid-Zellen sind eine verbreitete Wahl, weil sie auch weit unter dem Gefrierpunkt zuverlässig arbeiten, wobei ihre nutzbare Kapazität in der Kälte trotzdem sinkt.

Der Batteriewechsel braucht eine eigene Planung. Ein Gebäude mit 200 Sensoren und Batterien, die fünf Jahre halten, kommt im Schnitt auf 40 Batteriewechsel pro Jahr, und diese Einsätze kosten mehr als die Batterien selbst. Wer Wechsel nach Bereichen bündelt und ein Sendeintervall wählt, das dem tatsächlichen Bedarf entspricht statt der schnellsten Option, hält diese Zahl niedrig.

Wie baut man ein IoT-Sensornetzwerk auf?

Diese Schritte eignen sich für ein erstes Projekt in einem Gebäude oder auf einem Gelände, und sie halten das erste Netzwerk klein genug, um daraus zu lernen:

  1. Schreiben Sie die Frage auf. „Überhitzt der Serverraum nachts?“ oder „Welche Besprechungsräume werden tatsächlich genutzt?“ Die Frage bestimmt, welche Sensoren Sie brauchen und wo.
  2. Wählen Sie die Sensortypen aus der Tabelle oben aus und prüfen Sie Funktechnik, Genauigkeit, Schutzart des Gehäuses und Sendeintervall.
  3. Entscheiden Sie sich für das Netzwerk. Für ein einzelnes Gebäude, in dem überall Strom verfügbar ist, kann ein Netzwerk mit kurzer Reichweite genügen. Für mehrere Gebäude, Keller oder Außenstandorte ist ein LPWAN-Gateway meist einfacher.
  4. Testen Sie die Abdeckung, bevor Sie alles installieren. Stellen Sie das Gateway an seinen vorgesehenen Platz, tragen Sie einen Sensor zu den entferntesten und tiefsten Stellen und prüfen Sie, ob die Nachrichten mit gutem Signal ankommen. Keller, Aufzugsschächte und Metallschränke sind die üblichen Problemstellen, testen Sie diese also zuerst und notieren Sie die gemessenen Signalwerte, damit Sie später vergleichen können, falls ein Sensor anfängt, Nachrichten zu verlieren.
  5. Registrieren Sie jeden Sensor mit seinen Kennungen und Schlüsseln in Ihrer Plattform und prüfen Sie, ob die dekodierten Werte plausibel sind.
  6. Legen Sie fest, wie die Messwerte genutzt werden: ein Dashboard für Menschen und Regeln, die Alarme auslösen, wenn Werte eine Grenze überschreiten.
  7. Lassen Sie das System einige Wochen laufen, bevor Sie skalieren, und passen Sie Intervalle und Grenzwerte an das an, was die Daten zeigen.

Bei den Schritten 5 und 6 kann Software einiges an Aufwand abnehmen. In Kilo ist das Formular der Geräteverwaltung für Smartphones gestaltet, sodass Sie jeden Sensor direkt an seinem Einbauort registrieren können. Metrikvorlagen ordnen die Rohfeldnamen jedes Herstellers einer normalisierten Metrik zu, sodass Sensoren verschiedener Marken als ein einheitlicher Messwert erscheinen. Und weil jedes Gerät seine Identität und seinen Verlauf behält, wenn der physische Sensor ersetzt wird, lässt sich ein ausgefallenes oder beschädigtes Gerät austauschen, ohne dass Diagramme abreißen.

Häufige Fragen zu IoT-Sensoren

Brauchen IoT-Sensoren WLAN?

Nein. Viele IoT-Sensoren nutzen eine eigene stromsparende Funktechnik wie LoRaWAN, mioty oder Zigbee und gelangen über ein Gateway ins Internet. WLAN-Sensoren gibt es zwar, sie brauchen aber meist Netzstrom oder häufige Batteriewechsel.

Was kosten IoT-Sensoren?

Einfache Batteriesensoren für Temperatur, Türen oder Leckagen kosten oft ein paar Dutzend Euro pro Stück, Spezialsensoren wie Radar-Füllstandsmesser oder Vibrationssensoren mehr. Ein Gateway ist ein separater, einmaliger Kostenpunkt, den sich viele Sensoren teilen, und das Software-Abonnement kommt als dritter Posten hinzu.

Sind IoT-Sensoren sicher?

Das hängt von der Funktechnik und der Einrichtung ab. LoRaWAN und mioty verschlüsseln Nachrichten zwischen Sensor und Netzwerkserver mit gerätespezifischen Schlüsseln. In der Praxis kommt es daher vor allem darauf an, diese Schlüssel sicher aufzubewahren und den Zugriff auf die Plattform zu beschränken.

Was ist der Unterschied zwischen einem Sensor und einem IoT-Sensor?

Ein Sensor ist nur das Messelement, etwa ein Thermistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Ein IoT-Sensor verbindet dieses Element mit Prozessor, Funkmodul und Stromquelle, damit der Messwert gesendet und anderswo genutzt werden kann.

Nehmen Sie die Frage „Welche Besprechungsräume werden tatsächlich genutzt?“ Drei Belegungssensoren in drei Besprechungsräumen und ein CO₂-Sensor im meistgenutzten beantworten sie auf einem einzigen Dashboard, und eine Regel kann das Facility Management alarmieren, wenn der CO₂-Wert in diesem Raum eine halbe Stunde lang über 1.200 ppm liegt. Dieses Setup passt in den kostenlosen Tarif von Kilo, und Sie können Dashboard und Regel mit emulierten Geräten aufbauen, bevor das Gateway installiert ist.