Mit Photovoltaikanlagen lässt sich grüner Strom erzeugen, um beispielsweise E-Fahrzeuge zu laden, aber auch um Gebäude zu beheizen, Warmwasser aufzubereiten oder Strom in das Netz einzuspeisen. Die Gateways eines IoT-Unternehmens mit Sitz in ­Hannover bieten eine Ausgangsbasis für ein intelligentes und dynamisches Energie- respektive Lademanagement.

„Bisherige Gateway-Lösungen waren für eine zentrale Energieerzeugung ausgelegt“, erklärt Christian Lelonek, Geschäftsführer von IoTmaxx. „Das bedeutet, elektrische Energie wurde in beliebiger Menge von Kraftwerken erzeugt und über das Energienetz an die Verbraucher geliefert.“ Die Netzinfrastruktur war bis in die Ortsnetzstationen so ausgelegt, dass auch bei einem Spitzenverbrauch immer ausreichend Strom zur Verfügung stand. In dieser Situation war es lediglich erforderlich, zu messen und zu melden, ob der lokale Spitzenverbrauch angestiegen ist, um gegebenenfalls weitere Kapazitäten zu schaffen. „Im Bereich der Ladetechnik war es so, dass zum Beispiel ein E-Fahrzeug vorgegeben hat, wieviel Energie benötigt wird, um die Batterie zu laden – und die Ladesäule war nur mit einer Internetverbindung zum Backend-System für die Zahlungsabwicklung ausgestattet“, so Christian ­Lelonek weiter. „Das heißt, dieser zentrale Ansatz umfasste bislang eher unkomplizierte Aufgaben für klassische Router wie zum Beispiel unseren LAN/WAN-Router maxx RT2100 oder unseren LTE 4G Mobilfunk-Router maxx RT2200.“

Frei programmierbare Gateways für eine intelligente lokale Vorverarbeitung der Daten

Mit dem zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energiequellen für die Bereiche Mobilität und Heizung sowie der Installation und Nutzung von lokalen Energiespeichern sind die technischen Anforderungen in der Energieverteilung deutlich komplexer geworden. Zudem sind Verfügbarkeiten und Preise von elektrischer Energie starken Schwankungen unterworfen. Um den Energieverbrauch einer Anwendung zu monitoren und zu minimieren ist es erforderlich, Daten aus unterschiedlichen Quellen zu sammeln und auszuwerten. Es muss einerseits der aktuelle Istzustand eines Systems erfasst werden wie zum Beispiel der Ladezustand eines Fahrzeugs oder eines Energiespeichers und andererseits sind Einflussfaktoren zu berücksichtigen wie die Leistung einer Photovoltaik-Anlage, Wetterverhältnisse sowie Innen- oder Außentemperaturen. Auf Basis dieser Daten können Bedarfsanalysen oder Prognosen für die nahe Zukunft erstellt werden, um beispielsweise das Laden und die Nutzung eines Fahrzeugs effizienter und wirtschaftlicher zu planen.

Durch die Vielzahl der erfassten relevanten Einflussgrößen entsteht jedoch auch ein erhebliches Datenvolumen für den Transfer in die Cloud. Durch eine intelligente lokale Vorverarbeitung mit den frei programmierbaren Gateways von IoTmaxx lassen sich die Datenmengen deutlich reduzieren.

Schnittstellen für die Datenerfassung vor Ort

Bei der Datenerfassung vor Ort bieten die Gateways Maxx GW4101 von IoTmaxx zahlreiche Vorteile. Die platzsparenden Geräte belegen nur fünf Zentimeter auf der Hutschiene. Der Zugang zum Internet kann wahlweise über das lokale Ethernet-Netzwerk oder über das integrierte 4G-LTE-Modem erfolgen. Die Gateways mit Sensorboard-Erweiterung sind mit Schnittstellen für unterschiedliche Bussysteme wie Ethernet, CAN, RS232, RS485 sowie den Anschluss lokaler Sensorik wie 4-20mA-Sensoren, digitale I/Os oder PT100/1000 ausgestattet. Damit können einerseits Zustandsdaten wie zum Beispiel Verbrauch, Ladezustand, Schaltzustände und Fehlermeldungen von der jeweiligen Anlage abgefragt und andererseits zusätzliche Sensordaten wie zum Beispiel Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen und vieles mehr erfasst werden.

Sichere Anbindung an Backend-Systeme

Die sichere Anbindung an die Cloud kann mit den Gateways des Herstellers entweder über verschlüsselte Protokolle wie zum Beispiel MQTT und HTTPS oder über die unterstützten Tunnel-Technologien WireGuard, OpenVPN oder IPSec erfolgen. „WireGuard lässt sich besonders schnell und einfach konfigurieren und bietet einen hohen Sicherheitsstandard,“ erklärt Christian Lelonek. Der VPN-Tunnel wird direkt vom Linux-Kernel unterstützt, dadurch ist er besonders performant und bietet eine schnelle und sichere Verbindung, was in der Energieverteilung – insbesondere in Anwendungen der kritischen Infrastruktur – von Vorteil ist.

Um angeschlossenen Geräten ebenfalls den Zugriff auf das Internet zu ermöglichen, sind die Gateways von IoTmaxx auch mit grundlegenden Routing-Funktionen ausgestattet. Zur Adressvergabe im lokalen Subnet kann das Gateway als DHCP-Server verwendet oder aber als DHCP-Client in bestehende Netze integriert werden. Alternativ kann das Gateway auch auf eine statische IP konfiguriert werden.

Lokale Vorverarbeitung mit dem Gateway

Das Linux-basierte System mit Dual-Cortex-A7-Kern bietet ausreichend Rechenleistung für die lokale Vorverarbeitung der Daten auf dem Gateway vor Ort. Durch die Unterstützung der Docker-Technologie können containerisierte Anwendungen zum Einsatz kommen, die einerseits unabhängig von der Hardware des Gateways entwickelt und andererseits unabhängig vom Betriebssystem des Gateways aktualisiert werden können. Zudem bietet diese Technologie einen optimalen Schutz der eingesetzten Algorithmen, da ausschließlich Binärcode in Form eines Container-Images aufgespielt wird. Für den Zugriff auf die lokalen Schnittstellen des Gateways zum Beispiel aus einem Docker-Container heraus steht dem Nutzer eine vorinstallierte REST-API zur Verfügung.

Individuelle Gateway-Applikationen können entweder durch den Kunden selbst oder als Service von IoTmaxx programmiert werden. Damit ist der Weg offen für intelligente Edge-Computing-Lösungen, um den Datenverkehr in die Cloud stark zu reduzieren, deutlich kürzere Reaktionszeiten zu ermöglichen und gegebenenfalls auch unabhängig von Internetanbindung oder Server agieren zu können.

Autor
Ralf Glaser, Leiter Entwicklung