Ein wichtiges Element des „Internet of Things“ sind autarke Sensorknoten, die Umweltparameter wie die Lufttemperatur, den Füllstand von Müllcontainern, die Belegung von Parkplätzen, Energie- und Wasserverbräuche und vieles mehr erfassen und periodisch an einen Server weitergeben. Zur drahtlosen Übermittlung von Daten scheiden WLAN oder Mobilfunknetze hier jedoch aus, der Stromverbrauch der Sensorknoten wäre zu hoch und die Batteriestandzeiten daher zu niedrig.
Hier kommen LPWAN-Ansätze (Low Power Wide Area Network) wie das Netz des ehrgeizigen französischen Players Sigfox ins Spiel. Sensorknoten senden ihre Daten auf lizenzfreien Frequenzen an die Basisstationen dieses zukünftig weltweit verfügbaren Netzes; diese leiten die Daten sodann ins Internet, genauer gesagt an die Sigfox-Cloud, weiter. Dabei sind die Datenraten niedrig: Um Füllstände von Containern oder die Belegung von Parkplätzen anzuzeigen, genügt es ja auch, pro Tag nur wenige, kurze Nachrichten versenden. Dies wiederum macht es möglich, mit nur wenig Energie hohe Übertragungsreichweiten zu erzielen (typischerweise mehrere Kilometer, auch in bebauter Umgebung und auch aus Innenräumen heraus). Daher genügen prinzipiell wenige Basisstationen, um etwa eine Stadt oder ländliche Regionen vollständig abzudecken.

Sigfox-Netzwerk = Basisstationen plus Cloud

Sigfox hat ein proprietäres Verfahren zum energiesparenden, sicheren Datenfunk entwickelt (in Europa auf 868 MHz). Entsprechende Transceivermodule, die beispielsweise per UART-Schnittstelle angesteuert werden können, wurden von lizenzierten Halbleiterfirmen wie STMicroelectronics auf den Markt gebracht; selbstverständlich begleitet von Eval- und Entwicklungsboards. Sigfox ist aber auch Netzbetreiber und hat deutschlandweit bereits eine Netzabdeckung von über 75 % erreicht. Bis Ende 2018 soll die Abdeckung 85 % betragen. Auch europa- und weltweit wird das Netz intensiv ausgebaut. Die Netzabdeckung kann man hier abrufen.
Ist vor Ort Netzabdeckung gegeben, kann jedes Gerät mit Sigfox-Konnektivität seine Daten über das Netz an die zentrale Sigfox-Cloud senden. Das Sigfox-Netz besteht damit aus den Basisstationen und der Sigfox-Cloud, von der aus sich die Anwender dann die Daten abholen. An die Sigfox-Cloud werden auch Daten zurückgesendet, will man das Gerät selbst für Konfigurations-Settings oder Stellbefehle ansprechen. Diese Webplattform ist nicht nur für Kunden aus der Industrie offen, sondern auch für Kleinfirmen und Entwickler. Hier lassen sich Sensorknoten („Devices“), die mit einem Sigfox-Modul ausgestattet sind, für den Netzzugang aktivieren, konfigurieren und verwalten. Selbstverständlich werden von den Devices ausgesendete Nachrichten angezeigt, darüber hinaus sind E-Mail-Benachrichtigungen sowie Weiterleitungen an kundenspezifische Webplattformen einstellbar (siehe unten).
Prinzipiell sieht Sigfox vor, dass ein Gerät bis zu 140 Nachrichten pro Tag verschicken und vier empfangen kann. Die Nachrichtenlänge in Richtung Cloud ist auf 12 Bytes begrenzt, was für die allermeisten Sensorapplikationen ausreicht. Wie heutzutage üblich gehören zu den Evalboards auch Bibliotheken, Firmware-Beispiele und Test-Software. Entwickler müssen sich daher nicht mit Protokoll-Details herumschlagen.

Evalboards

Um das Ganze einmal auszuprobieren, bekam das Elektor-Labor Eval-Boards von zwei verschiedenen Chip-Herstellern auf den Tisch.
Das RC1682-SIG-DK Demonstration Kit enthält zwei gleiche Evalboards des norwegischen Herstellers Radiocrafts, jeweils ausgestattet mit einem RC1682-Transceivermodul, das per UART angesteuert wird. Die UART-Schnittstelle kann auf dem Board über Stiftleisten erreicht werden, ist aber auch an einen FT232-Schnittstellenwandler angeschlossen, so dass sich das Transceivermodul über USB mit einem PC verbinden lässt und von einem Terminalprogramm angesteuert werden kann. Dem Kit liegen außerdem zwei Antennen und ein USB-Kabel bei.





































Das STEVAL-FKI868V1-Kit stammt von STMicroelectronics und besteht aus zwei unterschiedlichen Boards. Das STEVAL-FKI868V1-Board mit dem Sigfox-Transceivermodul S2-LP ist als Arduino-Shield ausgeführt. Im Kit ist außerdem noch ein NUCLEO-L152RE Controllerboard mit einem STM32L1-Controller und Buchsenleisten im Arduino-Standard enthalten, hier wird das Sigfox-Shield aufgesteckt. Der STM32-Controller ist über einen ebenfalls auf dem Board enthaltenen ST-Link-Debugger programmierbar. Auch hier liegen dem Kit eine Stummelantenne und ein USB-Kabel bei.


 

Gemeinsamkeiten

Bei den Boards beider Hersteller dient die USB-Schnittstelle nicht nur zur Kommunikation, sondern user-freundlich auch zur Stromversorgung. Alle Controller sind mit Standardfirmware zu Evalzwecken vorprogrammiert, die überschrieben werden kann. Beim Radiocrafts-Modul muss dies über einen Extra-Steckverbinder erfolgen. Bei ST mit dem verteilten Ansatz (Debugger, STM32-Hauptcontroller, Sigfox-Modul) kann neue Firmware für den STM32 ganz einfach über USB aufgespielt werden. Hier werden auch diverse Bibliotheken für die hauseigenen Entwicklungsumgebungen mitgeliefert. In diesem Review soll es aber ausschließlich um eine erste Evaluierung gehen und es wird die Standardfirmware genutzt. Sie sieht bei beiden Systemen eine Ansteuerung per PC vor, um Nachrichten mit Daten in das Sigfox-Netzwerk zu verschicken (Uplink) beziehungsweise eine Bestätigung aus dem Sigfox-Netzwerk zu erhalten (Downlink). Beide Hersteller stellen hierfür eine einfach bedienbare PC-Software mit grafischer Benutzeroberfläche zur Verfügung. Zu beiden Kits gehört auch eine Lizenz, das Sigfox-Netz kostenfrei ein Jahr lang auszuprobieren.

Um Nachrichten ins Sigfox-Netzwerk verschicken zu können, müssen die Boards beider Hersteller zuerst einmal als Geräte (Devices) bei Sigfox registriert werden. Jedes Sigfox-Transceiver-Modul besitzt hierfür eine eindeutige ID aus maximal vier Bytes (acht Hex-Ziffern), die fest einprogrammiert ist. Zur Registrierung gehört ferner eine sogenannte PAC aus 8 Bytes (16-Hex-Ziffern), die nur einmal verwendet werden kann. Darüber hinaus benötigt man als Firma oder Einzel-Nutzer auch einen Sigfox-Account, zur Anmeldung ist die E-Mail-Adresse, Name, Firmenname und Firmenanschrift nötig.