Energieautarkes Internet der Dinge für die Digitalisierung der Landwirtschaft
In der Land- und Forstwirtschaft oder im Umwelt- und Katastrophenschutz ist die permanente Überwachung wichtiger Umweltparameter wie Temperatur oder Feuchte in Luft und Boden durch digitale Sensoren entscheidend, um Veränderungen frühzeitig zu erkennen und ihnen bei Bedarf gezielt entgegenzuwirken. Die Messdaten der Sensoren werden in einer Basisstation ausgewertet und entsprechende Handlungsanweisungen an sogenannte Aktoren, die elektrische Signale in mechanische Bewegung umsetzen, übermittelt. Somit kann zum Beispiel eine automatische Bewässerung ermöglicht werden. Das gesamte System benötigt Strom und eine Kommunikationsverbindung, um Daten übermitteln und Aktionen ausführen zu können. In abgelegenen oder weitläufigen Gebieten ist es allerdings oft nicht möglich, diese Geräte an das Energie- und Kommunikationsnetz anzuschließen, sodass sie energieautark arbeiten müssen, also zum Beispiel mithilfe von Solarenergie. Ein solches System bildet ein autarkes Internet der Dinge (IoT), das auf ein energiearmes Weitverkehrsnetz (LPWAN) zur Verbindung der Geräte setzt. LPWAN-Protokolle ermöglichen eine hohe Reichweite der Übertragung und einen geringen Energieverbrauch der Geräte.
Ziel des Projekts „Energieautarke IoT-Infrastruktur (EIOTI)“ ist es daher, eine energieoptimierte Basisstation für drahtlose Sensor- und Aktornetze zu entwickeln, die Umweltenergie wie Licht oder Bewegung aus der direkten Umgebung nutzt, um ihren kompletten Energiebedarf zu decken. So werden netzferne, wartungsfreie, sichere Sensornetze möglich, die auch unabhängig von der Energieversorgungsinfrastruktur arbeiten. Dazu sollen neuartige Sendefunktionalitäten erforscht und für die Basisstation implementiert werden, die eine Anbindung an die Cloud durch drahtlose Kommunikation mit dem nächsten Mobilfunkmast ermöglichen. Somit können energieintensive Arbeiten aus den Sensoren und Aktoren in die Basisstation oder in die Cloud verlagert werden, wodurch ein energieautarker Betrieb dieser Geräte möglich wird. Weiterhin werden die Forschenden ein Energieversorgungsmodul entwickeln, das kleine Solarmodule, optional auch Wind- oder Wasserturbinen, nutzt, um die Versorgungsleistung der Basisstation sicherzustellen oder Energie mittelfristig in einer Batterie zu speichern. Das Gesamtsystem wird in einem landwirtschaftlichen Anwendungsfall abschließend erprobt.
Eine autarke IoT-Infrastruktur, die direkt von alternativen Energiequellen gespeist wird, trägt zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und ist ein wichtiger Baustein für umweltfreundliche Informations- und Kommunikationstechnologien. Darüber hinaus ermöglicht ein solches System die kostengünstige Digitalisierung entlegener und weitläufiger Gebiete ohne Anschluss an ein Kommunikations- oder Energienetz. Aufgrund der weiten Verbreitung und Relevanz von IoT-Systemen ist die Lösung auf eine Vielzahl von Bereichen wie Smart Building, Smart City oder Smart Home übertragbar. Zudem stärkt das Projekt den Wirtschaftsstandort Deutschland durch die Entwicklung modernster IoT-Lösungen.