Ein drahtloses Sensornetzwerk, oft kurz WSN (Wireless Sensor Network) genannt, besteht aus Sensoren, die über eine Fläche verteilt sind, etwas Physikalisches messen (Temperatur, Vibration, Wasserstand, Luftqualität, ob eine Tür offen ist) und ihre Messwerte per Funk an einen Sammelpunkt senden. Dieser gibt sie an eine Software weiter, in der Menschen sie sehen und darauf reagieren können. Zu den Sensoren führen keine Kabel, und die meisten laufen jahrelang mit Batterien.

Der Begriff steht für zwei recht unterschiedliche Dinge, deshalb liefert eine Suche danach so gemischte Ergebnisse. In Hochschulvorlesungen geht es um Netze aus winzigen Knoten, die sich gegenseitig Nachrichten von Knoten zu Knoten weiterreichen. Die meisten kommerziellen Installationen, die heute entstehen, sehen anders aus: Tausende Sensoren, die direkt mit wenigen Empfängern großer Reichweite kommunizieren. Welcher Aufbau passt, hängt vom Standort ab, und diese Entscheidung bestimmt Kosten, Batterielaufzeit und wie weit das Netz wachsen kann.

Kurz erklärt

  • Ein drahtloses Sensornetzwerk verbindet batteriebetriebene Sensoren per Funk mit einer Software, ohne Verkabelung zu jedem Messpunkt.
  • Seine Bausteine sind Sensorknoten, Gateways oder Basisstationen, ein Netzwerkserver und eine Anwendung.
  • Mesh-Netze reichen Nachrichten zwischen Knoten weiter, Sternnetze schicken jeden Messwert über große Entfernung direkt an ein Gateway.
  • Für große Installationen in Industrie und Umweltmonitoring sind Funktechniken mit großer Reichweite wie LoRaWAN und mioty die übliche Wahl.

Topologie drahtloser Sensornetzwerke

Jedes drahtlose Sensornetzwerk besteht aus denselben vier Schichten, unabhängig von der Funktechnik:

  • Sensorknoten messen und senden. Ein Knoten vereint einen Sensor, einen kleinen Mikrocontroller, ein Funkmodul und eine Batterie in einem Gehäuse.
  • Gateways oder Basisstationen empfangen die Funksignale und leiten sie über Ethernet, WLAN oder Mobilfunk weiter.
  • Ein Netzwerkserver prüft, entschlüsselt und dedupliziert Nachrichten und behält im Blick, welche Geräte zum Netz gehören.
  • Eine Anwendung speichert die Messwerte, zeichnet Diagramme und entscheidet, was passieren soll, wenn ein Wert den zulässigen Bereich verlässt.

Die Topologie beschreibt, wie die ersten beiden Schichten miteinander kommunizieren, und es gibt drei gängige Formen.

In einer Mesh-Topologie reichen Knoten Nachrichten an ihre Nachbarn weiter, bis eine Nachricht das Gateway erreicht. Zigbee, Thread und der Industriestandard WirelessHART arbeiten so. In Gebäuden kommt Mesh gut um Wände herum, weil kein einzelner Knoten weit reichen muss. Der Preis ist der Stromverbrauch: Ein Knoten, der Datenverkehr für andere weiterleitet, muss häufig empfangsbereit sein, deshalb sind weiterleitende Knoten meist netzbetrieben, während Batterieknoten am Rand sitzen.

In einer Sterntopologie kommuniziert jeder Knoten direkt mit einem Gateway. Mobilfunk-IoT und Funktechniken großer Reichweite wie LoRaWAN und mioty nutzen diese Form. Die Knoten wachen nur zum Senden auf, was die Batterielaufzeit lang hält, und ein Gateway kann Kilometer statt Meter abdecken.

LoRaWAN nutzt eine Variante, die oft Star-of-Stars genannt wird: Eine Sensornachricht kann von mehreren Gateways gleichzeitig empfangen werden, und der Netzwerkserver behält eine Kopie und verwirft die Duplikate. Diese Überlappung ist nützlich, weil ein Knoten am Rand der Reichweite eines Gateways oft gut im Bereich eines anderen liegt.

Baum- oder Cluster-Topologien, bei denen Gruppen von Knoten an einen lokalen Clusterkopf melden, der nach oben weiterleitet, findet man vor allem in der Forschung und in einigen proprietären Industriesystemen.

Protokolle für drahtlose Sensornetzwerke

Die Wahl des Protokolls ergibt sich aus der Reichweite. Protokolle mit kurzer Reichweite decken einen Raum oder ein Stockwerk ab: Bluetooth Low Energy für Wearables und Beacons, Zigbee und Thread für Gebäude und Wohnungen und WLAN, wenn Strom vorhanden ist und die Datenmengen hoch sind. Protokolle großer Reichweite, zusammengefasst unter dem Begriff LPWAN (Low Power Wide Area Network), decken einen Campus, ein Stadtviertel oder einen landwirtschaftlichen Betrieb ab.

Drei LPWAN-Familien dominieren. NB-IoT und LTE-M laufen in den Netzen von Mobilfunkbetreibern und brauchen ein Abonnement pro Gerät. LoRaWAN läuft im lizenzfreien Sub-GHz-Spektrum über Gateways, die Sie selbst oder ein Anbieter installieren, und hat das größte Angebot an Sensoren von der Stange. mioty, von ETSI als TS 103 357 standardisiert, nutzt ebenfalls lizenzfreies Sub-GHz-Spektrum, teilt aber jede Nachricht in viele kurze Funkbursts auf, die auf verschiedenen Frequenzen und zu verschiedenen Zeiten gesendet werden. Die Basisstation kann eine Nachricht auch dann rekonstruieren, wenn ein Teil dieser Bursts verloren geht. Das macht mioty stark, wo sich Tausende Sensoren ein ausgelastetes Band teilen.

Für große Installationen läuft der Vergleich in der Praxis auf Geräteauswahl gegenüber Gerätedichte hinaus. LoRaWAN bietet für fast jede Messgröße mehr Sensormodelle. mioty ist für sehr viele Geräte pro Basisstation und störungsreiche Funkumgebungen ausgelegt. Viele Projekte müssen sich gar nicht für eines entscheiden, weil beide parallel laufen können.

Unabhängig vom Protokoll hängt die Batterielaufzeit an der Sendedauer (Airtime). Ein Sensor verbraucht im Schlafmodus fast nichts und den Großteil seiner Energie, während sein Funkmodul sendet. Entscheidend ist also, wie oft er meldet, wie viele Bytes er sendet und wie lange jede Übertragung dauert. Große Reichweite bei niedriger Datenrate bedeutet längere Übertragungen. Bei LoRaWAN nutzt ein Sensor weit vom Gateway einen höheren Spreading Factor, der weiter reicht, das Funkmodul für dieselbe Nachricht aber um ein Vielfaches länger eingeschaltet hält. Netze nutzen Adaptive Data Rate (ADR), um Sensoren nahe an einem Gateway auf kürzere, sparsamere Übertragungen umzustellen. Ein zusätzliches Gateway nahe einer Gruppe weit entfernter Sensoren kann deren Batterielaufzeit verlängern und zugleich ihr Signal verbessern.

In Kilo ist ein LoRaWAN-Netzwerkserver in die Plattform integriert, und mioty läuft entweder über das quelloffene Kilo mioty Service Center, das Sie selbst hosten, oder über die in Kilo Cloud integrierte mioty-Anbindung. Dort fügen Sie einen mioty-Konnektor hinzu und verbinden Ihre Basisstationen, ohne einen eigenen Netzwerkserver betreiben zu müssen. Messwerte aus beiden fließen in dieselben Dashboards, Regeln und Alarme, sodass ein LoRaWAN-Lecksensor und ein mioty-Zähler in derselben Organisation nebeneinander erscheinen. Wenn Ihr Netz verschiedene Funktechniken mischen wird, prüfen Sie jede Sensorfamilie anhand der von Kilo unterstützten Geräteanbindungen, bevor Sie die Gateway-Planung festlegen.

Was ist ein industrielles Sensornetzwerk?

Ein industrielles Sensornetzwerk überwacht Maschinen und Prozesse: Vibration und Temperatur an Motoren und Pumpen, Druck in Rohrleitungen, Füllstände in Tanks, den Zustand von Ventilen. Die Idee ist alt. Prozessanlagen nutzen seit Jahrzehnten verkabelte 4–20-mA-Signale, und zwei Funkstandards, WirelessHART (IEC 62591) und ISA100.11a, wurden eigens für die Prozessautomatisierung mit Mesh-Netzen im 2,4-GHz-Band entwickelt.

Neu ist die Nachrüstung. Neue Kabel durch eine laufende Anlage zu ziehen, ist teuer und erfordert oft einen Stillstand. Deshalb rüsten viele Werke heute batteriebetriebene Funksensoren an Anlagen nach, die nie überwacht wurden, etwa an den Hunderten kleiner Motoren, Lüfter und Pumpen, bei denen sich eine Verkabelung nie gelohnt hat.

Industriestandorte machen es dem Funk schwerer als Büros. Stahlkonstruktionen reflektieren und blockieren Signale, Frequenzumrichter und Schweißanlagen erzeugen elektrische Störungen, und das 2,4-GHz-Band ist oft mit WLAN und Bluetooth überfüllt. Sub-GHz-Funktechniken wie LoRaWAN und mioty haben längere Wellenlängen, die Hindernisse besser umgehen als 2,4-GHz-Signale. Explosionsgefährdete Bereiche bringen eine weitere Anforderung mit: Sensoren für explosionsfähige Atmosphären brauchen eine Zertifizierung wie ATEX in Europa oder international IECEx, und diese Zertifizierung gilt für das Gerät, nicht für das Funkprotokoll.

Ein industrielles Sensornetzwerk meldet meist Kennwerte statt Rohsignale. Ein Vibrationssensor sendet zum Beispiel alle 15 Minuten einen Wert für die Schwinggeschwindigkeit und eine Temperatur. Das genügt, um zu erkennen, wenn eine Maschine aus ihrem normalen Bereich driftet, ohne die Batterie zu leeren.

So sieht das in Zahlen aus, als Beispiel. Ein Werk mit 300 kleinen Motoren, jeder mit einem Vibrationssensor, der alle 15 Minuten meldet, erzeugt 28.800 Messwerte am Tag. Das ist eine überschaubare Last für ein einzelnes Gateway oder eine Basisstation großer Reichweite. Der größte Teil der Planung betrifft etwas anderes: welcher Wert für jeden Maschinentyp als auffällig gilt, wer benachrichtigt wird, wenn ein Motor driftet, und wer einen Sensor tauscht, dessen Batterie leer ist.

Wie baut man ein Umweltsensornetzwerk auf?

Ein Umweltsensornetzwerk misst Bedingungen im Freien oder über eine große Fläche: die Luftqualität in einer Stadt, Niederschlag und Bodenfeuchte auf Ackerland, Wasserstände entlang eines Flusses, Lärm rund um eine Baustelle. Die Sensoren sind weit verstreut, oft fern von Stromanschlüssen und Gebäuden, deshalb ist batteriebetriebener Funk großer Reichweite die naheliegende Wahl.

Ein typischer Aufbau folgt diesen Schritten:

  1. Schreiben Sie die Frage auf. „Steigt der Fluss oberhalb der Stadt schneller als üblich?“ führt zu anderen Sensoren und Standorten als „Wie gut ist die Luftqualität im Viertel im Durchschnitt?“
  2. Wählen Sie Sensoren und ein Sendeintervall. Ein Pegelsensor, der alle 15 Minuten meldet, sendet 96 Messwerte am Tag; einer, der stündlich meldet, hält mit derselben Batterie deutlich länger.
  3. Messen Sie die Funkabdeckung aus. Gehen oder fahren Sie das Gebiet mit einem Feldtester ab, bevor Sie etwas dauerhaft montieren, denn Hügel, Bäume und Gebäude verändern die Reichweite erheblich.
  4. Montieren Sie Gateways weit oben. Ein Gateway auf einem Wasserturm oder einem städtischen Dach deckt weit mehr Fläche ab als eines auf Straßenhöhe. Wo es keinen Netzstrom gibt, können Gateways mit Solarmodulen und einer Batterie laufen.
  5. Prüfen Sie die Genauigkeit gegen eine Referenz. Günstige Luftqualitätssensoren driften und reagieren auf Luftfeuchte; der Vergleich mit einer amtlichen Messstation in der Nähe zeigt, wie weit man ihnen trauen kann.
  6. Planen Sie die Wartung ein. Sensoren im Freien verschmutzen, laufen voll Wasser und werden gelegentlich gestohlen. Rechnen Sie mit einem Besuch pro Standort und Jahr.

Angenommen, ein Hochwasser-Warnnetz hat 12 Pegelsensoren auf 20 km Flusslauf, die jeweils alle 15 Minuten melden. Das sind 1.152 Messwerte am Tag, und zwei oder drei gut platzierte Gateways können den Abschnitt je nach Gelände meist abdecken. Die Sensoren selbst messen meist per Radar oder Ultraschall den Abstand nach unten zur Wasseroberfläche; Kilo Electronics führt Füllstandssensoren dieser Art, und Sensoren jedes kompatiblen Anbieters funktionieren genauso.

Häufige Fragen zu drahtlosen Sensornetzwerken

Was ist der Unterschied zwischen einem Sensornetzwerk und IoT?

Ein Sensornetzwerk ist der messende und übertragende Teil: die Sensoren, der Funk und die Empfänger. IoT, das Internet of Things, ist die umfassendere Idee, physische Objekte mit dem Internet und mit Software zu verbinden. Dazu gehören auch Geräte, die nicht nur messen, sondern auch handeln, etwa smarte Steckdosen, Ventile und Leuchten. Jedes IoT-Überwachungsprojekt enthält ein Sensornetzwerk, aber nicht jedes Sensornetzwerk ist mit dem Internet verbunden.

Woher kommen drahtlose Sensornetzwerke?

Ein großer Teil der frühen Forschung stammt aus militärischen und akademischen Projekten der 1980er- und 1990er-Jahre. Eines der bekanntesten war Smart Dust an der University of California, Berkeley, das Sensorknoten im Millimetermaßstab erforschte. Die günstigen, stromsparenden Funktechniken, die kommerzielle Netze praktikabel machten, kamen später: IEEE 802.15.4 im Jahr 2003 und LPWAN-Technologien in den 2010er-Jahren.

Wie sicher ist ein drahtloses Sensornetzwerk?

Die Sicherheit hängt vom Protokoll ab und davon, wie mit den Schlüsseln umgegangen wird. LoRaWAN verschlüsselt den Datenverkehr mit AES-128 und nutzt getrennte Schlüssel für Netzwerk und Anwendung, sodass der Netzbetreiber eine Nachricht weiterleiten kann, ohne ihren Inhalt zu lesen. Die Schwachstellen liegen meist im Betrieb: Standardschlüssel, die nie geändert werden, Geräteschlüssel in gemeinsam genutzten Tabellen und Gateways, auf denen noch das Werkspasswort gesetzt ist.

Wie weit reicht ein drahtloses Sensornetzwerk?

Das hängt von der Funktechnik ab. Zigbee und Bluetooth decken typischerweise einige Dutzend Meter pro Hop ab. Ein LoRaWAN-Gateway erreicht in der Stadt typischerweise 2–5 km und auf freiem Feld 15 km oder mehr. In Innenräumen, unter der Erde und hinter dichtem Beton schrumpft die Reichweite immer, deshalb sind Messungen vor Ort aussagekräftiger als Datenblattwerte.

Fünf Pegelsensoren rund um einen Standort, ein einziges Gateway und ein Dashboard mit allen fünf ergeben ein kleines Umweltnetz, das Sie einige Wochen lang beobachten können. Ergänzen Sie eine Regel, die einen Alarm sendet, wenn ein Pegel die Marke überschreitet, auf die es Ihnen ankommt, und lassen Sie das Ganze lange genug laufen, um zu lernen, wie der Normalzustand aussieht, bevor Sie etwas Größeres planen. Der gesamte Aufbau passt in den kostenlosen Tarif von Kilo.