Mobilfunksensoren
Smart-City mit NB-IoT und LTE-M
Nicht jede Stadt hat die Ressourcen, ein eigenes IoT-Netz aufzubauen und zu administrieren. Das muss aber auch nicht sein, denn mit den kommerziellen Funkstandards NB-IoT und LTE-M kommt man ebenso zum Ziel.
Mit LoRaWAN ein eigenes IoT-Netz aufzubauen (siehe S. 22) und dadurch geringe laufende Kosten zu haben, ist eine schöne Vorstellung. Wer aber als Smart-City-Beauftragter einer Kleinstadt alleine dasteht oder mal schnell ein erstes Sensorprojekt ausprobieren möchte, findet die Vorstellung, mit Landwirten und Berggaststättenbetreibern über Antennenstandorte zu diskutieren, vielleicht gar nicht attraktiv. Kabellose Sensoren sind für viele Smart-City-Projekte jedoch unerlässlich.
Glücklicherweise kann man sich auch ganz auf die kommerziellen Netzanbieter verlassen, denn die versorgen unter anderem Deutschland, Österreich und die Schweiz mit einer guten Alternative zu LoRaWAN: „Narrowband Internet of Things“, kurz NB-IoT. Der Netzstandard ist Teil der LTE- und 5G-Spezifikation und aufgeteilt in zwei Substandards. NB1 überträgt bis zu 66 kbit/s im Uplink und 26 kbit/s im Downlink, NB2 erreicht 159 beziehungsweise 127 kbit/s. Ideal also für die kleinen Datenmengen, die einfache Sensoren und Ortungsgeräte so produzieren. Für Anwendungen mit höherem Bandbreitenbedarf gibt es zusätzlich LTE-M, aufgeteilt in M1 (1 Mbit/s down, 1 Mbit/s up) und M2 (4 Mbit/s down, 7 Mbit/s up).
Beide Standards setzen sich durch ein hohes Linkbudget (Empfangsempfindlichkeit) und somit gute Durchdringungstiefe von den klassischen Mobilfunkspezifikationen wie LTE und GSM ab, die Mobiltelefone versorgen. Somit eignen sie sich nicht nur für Sensoren auf der Straße, sondern auch für solche mitten in Gebäuden.
Wie viel IT-Wissen Sie für NB-IoT benötigen, hängt stark von der Hardware ab. Je nach Hersteller müssen Sie die Geräte vollständig selbst konfigurieren und für einen empfangenden Server für die angelieferten Daten sorgen. Manchmal bekommen Sie auch eine fertige Webanwendung oder App aufgetischt.
Anwendungen
Die Hardwareauswahl für NB-IoT und LTE-M ist derzeit zwar nicht so groß wie die für LoRaWAN, doch es gibt einiges für unterschiedliche Anwendungsfälle: Der chinesische Hersteller Dragino bietet als Entwicklungsplattform das NBSN95(A). Das Gerät kostet rund 50 Euro und besitzt keinen eigenen Sensor. Es unterstützt eine Reihe von analogen und digitalen Sensoren, die im Gehäuse an Klemmen angeschlossen und über eine wasserfeste Verschraubung nach außen geführt werden. Das NBSN95 lässt sich also beliebig an den Anwendungsfall anpassen, grundlegende Konsolenkenntnisse zum Einrichten vorausgesetzt. Dragino verkauft das Modul auch bestückt mit Sensoren.
Etwas unglücklich endete unser Test eines anderen Dragino-Geräts: Wir haben den Türsensor NDS01 für Experimente mit NB-IoT gekauft. Das Gerät verband sich zwar mit dem NB-IoT-Netz, stellte aber keine Internetverbindung her. Die Firma erklärte auf Anfrage, dass das Gerät ein nicht näher bezeichnetes „Problem in Europa“ habe und wir stattdessen den NDS03A testen sollen. Wir baten darum, ein Update für den NDS01 zu bekommen, um es nicht als Elektroschrott enden zu lassen, hörten aber bis Redaktionsschluss nichts vom Hersteller.
Das deutsche Unternehmen Sentinum hat die NB-IoT-fähigen Febris- und Apollon-Geräteserien im Sortiment. Sie messen Tank- und Mülleimerfüllstände oder Temperatur, Luftfeuchte und CO2 in der Atmosphäre oder melden Leckagen. Die Firma spannt den Sensoren zwar ein eigenes Kundenportal vor, öffnet aber ein REST-API und einen MQTT-Broker, über die andere Anwendungen der Daten habhaft werden können. Im Gerätepreis zwischen 100 und 225 Euro ist bereits eine SIM und ein Jahr Dienstpreis enthalten. Zu den Tarifen gibt es weiter unten mehr Infos.
Parkplatzsensoren mit NB-IoT-Modem gibt es von Smart City Systems aus Fürth. Der „Bodensensor NB-IoT“ kostet im Do-it-yourself-Set (Sensor, Handschuhe, Kleber etc.) rund 360 Euro und kommt ebenso mit zwei Jahren Service inklusive. Das „Parking Pilot Dashboard“ der Firma erlaubt dem Administrator, eine Parkplatzanzeigetafel oder -karte zu erstellen und diese den Suchenden mit aktuellen Zahlen zu präsentieren.
Farm21 aus Amsterdam bietet für 295 Euro den Kombisensor FS21 für landwirtschaftliche Nutzflächen. Neben dem Bodenfeuchtesensor besitzt das Gerät Sensoren für Lufttemperatur, Bodentemperatur und Luftfeuchte sowie einen GNSS-Empfänger zur automatischen Platzierung im Dashboard. Für SIM und Plattform muss man 63 Euro pro Gerät und Jahr lassen. Besonders praktisch: Das Gerät besitzt USB-C, über den es wieder aufgeladen werden kann.
Auch allerhand GNSS-Tracker (Ortungsgeräte über Satelliten) gibt es bereits: „IOT Factory“ aus Belgien hat den „Asset Tracker“ entwickelt, der entweder per MQTT oder CoAP meldet, wo er sich gerade befindet. Wer kein Problem damit hat, aus Fernost zu kaufen, kann etwa den GPT12-L von Eelink kaufen, den auch das quelloffene Trackerserver Traccar unterstützt [1].
Protokolle
Da die Latenz bei NB-IoT zwischen 1,6 und 10 Sekunden liegt, nutzen die Hersteller vieler frei konfigurierbarer Geräte auf UDP fußende Protokolle. Eines davon ist das Constrained Application Protocol (CoAP), das speziell für Anwendungen mit eingeschränkter Datenrate gedacht ist. Es unterstützt auch DTLS, eine angepasste Variante von TLS, die auch für unzuverlässige Übertragungswege taugt.
Manche Geräte senden die Nutzlast auch einfach roh über TCP oder UDP, die dann – genau wie bei LoRaWAN und Sigfox – mit einem Dekoder in ein menschenlesbares Format gebracht werden muss (siehe Seite 22). Gelegentlich trifft man auch das Telemetrieprotokoll MQTT in Datenblättern an. Um die Daten zu empfangen, muss man dann nur einen über das Internet erreichbaren MQTT-Broker installieren [2].
Damit die Datenplattform am Ende mit den gesendeten Daten umgehen kann, müssen Sie vorab die Dokumentation der Hersteller prüfen und notfalls nach dem eingesetzten Protokoll und Datenformat fragen. Die von uns ab Seite 30 vorgestellte Software ThingsBoard etwa kann ausschließlich in der kommerziellen Variante rohe Nutzlasten per TCP und UDP annehmen. Wer die Community-Variante nutzt, kann ausschließlich Geräte mit HTTP, CoAP oder MQTT verwenden beziehungsweise muss sich um eine Software kümmern, die von einem Protokoll in ein anderes übersetzt.
Tarife
Um in NB-IoT- und LTE-M-Netze zu kommen, kann man keinen üblichen Vorkasse- oder Laufzeitvertrag nehmen, denn die erhalten je nach Netzbetreiber entweder gar keinen Zugang zu den beschriebenen Techniken oder etwa nur zu LTE-M. Diese Tarife sind für IoT-Anwendungen aber auch nicht sinnvoll, denn für die paar tausend Kilobyte oder wenigen Megabyte im Monat, die etwa bei einem Ortungsgerät oder einem Sensor anfallen, muss man keinen Tarif mit Gigabyte-Datenvolumen bezahlen – die IoT-Angebote der Netzbetreiber und Subanbieter sind viel attraktiver.
Einsteiger, die Geräte erst einmal testen und die Ergebnisse in ihr Konzept einbeziehen möchten, sind mit Subanbietern – auch „Mobile Virtual Network Operators“ (MVNOs) genannt – oft besser bedient. Die eigentlichen Netzanbieter wirken auf uns wenig kleinkundenfreundlich, denn sie verlangen häufig eine Kontaktaufnahme mit Beschreibung der Anwendung und zum Teil hohe Einstiegskosten. IoT-MVNOs mieten sich in die LTE-M- und NB-IoT-Netzinfrastruktur ein, statt sie selber zu betreiben. Das Prinzip ist bei den klassischen Mobilfunknetzen seit Jahren üblich, beispielsweise mit Congstar im Telekom-Netz, yesss! im A1-Netz und bei TalkTalk im Sunrise-Netz.
Besonders einfach und günstig kommt man mit 1nce zu einer IoT-SIM – aber nur als Gewerbekunde: Der Anbieter verlangt 10 Euro plus 7 Euro Versand (netto) für eine SIM mit 500 MByte Datenvolumen und 250 SMS, die zehn Jahre gültig sind. Monatliche Grundkosten gibt es nicht. Dafür bekommt in Deutschland, Österreich und der Schweiz sowie weiteren Ländern Europas Zugang zu NB-IoT- und LTE-M-Netzen sowie allen klassischen Mobilfunktechniken. Für Privatkunden ist das aber nichts, denn das Angebot richtet sich ausschließlich an Gewerbekunden und 1nce verlangt Nachweise.
Das gleiche gilt für q.beyond. Der MVNO bietet für 10 Euro (netto) satte 1 GByte und 100 SMS. Zwar kann 1nce im Vergleich mit mehr LTE-M- und NB-IoT-Roamingpartner aufwarten, in der DACH-Region hat man aber auch mit q.beyond Zugang zu den Netzen. Noch mal: Auch dieser Anbieter verkauft nur an Geschäftskunden.
Private Bastler in Österreich und Deutschland können sich bei Droam bedienen. Der Anbieter verkauft an alle und liefert für 10 Euro fünf Jahre nutzbare 300 MByte und 50 SMS. Derzeit gibt es die SIMs nur im Shop auf der Firmen-Website, aber der MVNO bereitet nach eigenen Angaben ein Dreierpaket vor, das in Kürze auf Amazon verfügbar sein soll.
Links zu den erwähnten Tarifen und Geräten finden Sie über ct.de/ye8z. Interessiert Sie das Thema Ortungsgeräte (GNSS-Tracker) finden Sie in c’t 18/2023 ab Seite 150 einen Grundlagenartikel zum Tracker-Server Traccar und passenden Geräten.
Der Einstieg in eine vernetzte Sensorinfrastruktur gelingt mit NB-IoT in kürzester Zeit. Das fertige Netz ist damit ideal für alle, denen ein eigener Netzausbau für den Einstieg zu aufwendig ist. (jam@ct.de)
Geräte und Tarife: ct.de/ye8z