IOX Experte erklärt: Sensoren für das Internet der Dinge – Funktionsweise & Einsatz

Sensoren sind das Herz von IoT-Anwendungen. Sie sammeln Daten, mit denen intelligente Entscheidungen getroffen werden können.

In unserem IOX Experten-Interview erklärt unser Hardware Entwickler Jannik Göbel, wie sie funktionieren und welche Arten von Sensoren es gibt. Zudem nennt er uns IoT-Anwendungsfälle für Sensoren und Vorteile, die sich daraus ergeben. 

Was ist Sensorik überhaupt?

Jannik: Sensorik bezeichnet Bauteile, welche verwendet werden, um Veränderungen in der Umwelt wahrzunehmen. Damit ist die Sensorik quasi die Schnittstelle zur Umwelt. Zu den Veränderungen zählen chemische, biologische und physikalische Eigenschaften, also beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder CO2. Es gibt auch Sensorik, die chemische Prozesse überwacht oder mechanische Größen wie Bewegung und Beschleunigung. 

Welche Arten von Sensoren gibt es? 

Jannik: Für fast jede Veränderung der Umwelt gibt es passende Sensoren. Am häufigsten genutzt werden die bereits genannten Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren oder auch Beschleunigungssensoren. Zudem gibt es IMUs (Inertial Measurement Units) Kombinationen von mehreren sogenannten Inertialsensoren . Eine IMU besteht aus einem Beschleunigungssensor, einem Gyroskop und einem Magnetometer. Mit dieser Kombination können Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie das Gerät steht, ob es gekippt ist etc.

Wie funktionieren Sensoren?

Jannik: Je nach Sensor gibt es ganz unterschiedliche Messprinzipien. Allerdings gibt es kaum Sensoren, die wirklich die Größe selbst aufnehmen. In den meisten Fällen wird immer eine abgeleitete Größe gemessen. Bei einem Drucksensor verformt sich zum Beispiel eine Membran. Dadurch verändert sich der Widerstand, der dann gemessen und ausgewertet wird. 

Ähnlich funktioniert das mit dem Temperatursensor. Dabei handelt es sich um ein Metall, das sich erwärmt. Das führt zu einem höheren Elektronenfluss, wodurch sich der Widerstand ändert. Man misst dann die Widerstandsänderung und daraus leitet man die Temperatur ab. Man misst gar nicht direkt die Temperatur, sondern eine zweite Größe,  die von der Temperatur abhängig ist. 

Für die Abstandsmessung gibt es verschiedene Verfahren wie Ultraschall oder Radar. Das sind Verfahren, bei denen – einfach gesagt – eine Welle abgeschickt wird und reflektiert wieder zurückkommt. Gemessen wird die Zeit, die benötigt wird bis das Signal ankommt. Dann weiß man, in welcher Entfernung sich das Hindernis befindet. 

Bei Radarsensoren handelt es sich um elektromagnetische Wellen, die häufig in einem Kegel aufgespannt werden, sodass man den Abstand zu Hindernissen in einem größeren Radius messen kann.

Beschleunigungssensoren sind alleine vom Aufbau super spannend. Wenn was beschleunigt wird, hat man ja zwei Massen und die eine Masse wird nach oben gedrückt und dadurch ändert sich die Kapazität und die wird gemessen.

Sensoren sind das Herz des IoT-Prozesses. Kannst du diesen Prozess einmal erläutern? 

Jannik: Sensoren sind das Auge des IoT-Geräts. Daten müssen irgendwo herkommen und man muss wissen, was in der Umwelt passiert. Ohne Sensorik ist ein IoT-Device nutzlos. 

Im ersten Schritt werden die Daten von dem Sensor aufgenommen. Manchmal werden diese dann bereits auf dem Edge Device vorverarbeiten. Das passiert zum Beispiel dann, wenn eine Vorfilterung gemacht werden soll. Bei einem Temperatursensor kommt es manchmal zu Schwankungen, die möchte man nicht mitsenden. Man macht also eine Mittelwertbestimmung auf dem Device und nur die aufbereiteten Daten werden in einem Transport-Format wie JSON verpackt und an das Backend geschickt. 

Im Backend können dann verschiedene Abläufe folgen. Die Daten können einfach gespeichert und der Temperaturverlauf zum Beispiel in Form eines Graphen angezeigt werden. 

Es ist aber auch möglich, direkt auf die Daten zu reagieren. Das gelingt, wenn vorab definierte Schwellwerte erreicht werden – zum Beispiel eine bestimmte Temperatur erreicht oder überschritten wurde. In dem Fall kann das Backend einen Befehl zurück an das Gerät oder ein anderes Gerät senden, das dann automatisch die Klimaanlage aktiviert. Oder ein Verantwortlicher bekommt eine Push-Benachrichtigung in seiner App. Zudem kann definiert werden, dass eine Abfolge von mehreren Ereignissen geschehen muss, damit etwas passiert. 

Kannst du uns einen IoT-Anwendungsfall für Sensoren nennen?

Jannik: Ein IoT Use Case, das wir gemeinsam mit der Witte Group entwickeln, ist ein Label, das mit einem Temperatursensoren bestückt und auf Paketen montiert wird. Mit diesem soll getrackt werden, ob mit dem Paket auf dem Lieferweg irgendwelche Temperaturschwellen überschritten wurden. Das Sensor-Gerät sendet nicht dauerhaft Daten, sondern speichert sie lokal und kann mit Hilfe einer NFC-Funktion mit dem Handy ausgelesen werden.

Das sind dann aber besonders kleine Sensoren?

Jannik: Ja, genau. Der Sensor auf dem flexiblen Label ist 0,2 mm dick und damit gerade mal so dick wie ein Blatt Papier. Es handelt sich dabei um ein dünnes Stück Silizium. Da es so dünn ist, kann es nur noch von der Maschine bestückt werden.

Sensorik muss dauerhaft ausgelesen werden und alles, was dauerhaft ausgelesen wird, braucht dauerhaft Energie. Bei dem Label wird eine gedruckte Batterie verwendet.

Welche Vorteile ergeben sich daraus?

Jannik: Zur Kontrolle der Einhaltung der Kühlkette werden heute vor allem passive Temperatursensoren genutzt, die sich verfärben, wenn sie zu warm werden. Die weisen anhand der Verfärbung allerdings nur darauf hin, dass die Kühlkette unterbrochen wurde und nicht wann und wo in der Logistik das passiert ist.

Wird ein smartes Label genutzt, das IoT-fähig ist, dann können weitere Daten gesammelt werden. Die bringen den großen Mehrwert, zu erkennen, an welcher Stelle die Kühlkette unterbrochen wurde – und zwar mit Hilfe der integrierten NFC-Technik, mit der Zeitstempel aufgenommen werden können. Damit können Logistiker und Lieferanten sicherstellen, dass bis zu einem gewissen Zeitpunkt alles in Ordnung war. Diese Sensoren sind aber heute noch zu teuer und werden deshalb nicht für jede Tiefkühl-Lieferung verwendet. Genutzt werden kann das Label beispielsweise für wichtige, weltweite Sendungen oder kritische Güter – zum Beispiel bei Organtransporten.

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