Umweltschutz: Wie kann man mit LoRaWAN einen Kühlschrank überwachen?

Normalerweise macht man sich um den Kühlschrank wenig Gedanken. Bis er eines Tages ausfällt. Im privaten Haushalt ist der Schaden ärgerlich aber überschaubar. In Gastronomie, Pflegeheim und Klinik ensteht bei einem defekten Kühlschrank jedoch hoher Schaden. Zugleich wird zunehmend sparsamer Umgang mit Lebensmitteln gefordert. Und auch die Energiekosten spielen eine große Rolle. Jedoch werden selbst in professionellem Umfeld bis heute noch immer Messwerte per Hand dokumentiert. Seit dem Jahr 2019 nutzen wir bei ELKOBA automatische Messungen über LoRaWAN. Interessant dabei ist, welchen Nutzen die automatische Messung bereits heute hat. Und welches starke Potential darin für die Zukunft steckt. Daher starten wir nun unser Projekt: Wie kann man mit LoRaWAN einen Kühlschrank überwachen?

Laut statista.de (link) besitzen fast alle Haushalte in Deutschland einen Kühlschrank. Jedoch werden pro Jahr nur 0,09 Kühlschränke pro Haushalt neu beschafft. Somit entsteht eine durchschnittliche Nutzungszeit von ca. 10 Jahren pro Gerät. Das heißt, dass noch immer viele alte Kühlschränke betrieben. Zudem sind diese Geräte weder netzwerkfähig noch in die Gebäudeleittechnik integrierbar. Beim Ausfall entsteht gerade in professionellem Umfeld hoher Schaden. Denn die Lebensmittel oder Medikamente müssen danach entsorgt werden. Eine tägliche, händische Dokumentation von Temperatur und Luftfeuchte wird gelegentlich vergessen und ist durch Fantasiewerte nachträglich manipulierbar. Mit LoRaWAN-Sensoren sind diese Probleme preiswert und relativ einfach lösbar. Dabei entsteht sogar ein Mehrwert. Denn durch präzise Messwerte können Störungen schneller erkannt werden.

Welche Kosten entstehen durch einen Ausfall

Im privaten Haushalt sind im Kühlschrank meist Waren im Wert von unter hundert Euro gelagert. In einer Tiefkühltruhe können jedoch Waren im mittleren bis hohen dreistelligen Euro-Bereich liegen. Speziell Jäger oder Feinschmecker lagern hochwertige und teure Lebensmittel. In Gastronomie, Pflegeheim oder Klinik befinden sich in den Kühlzellen Waren im Wert von mehreren tausend Euro. Der Ausfall der Kühlung hat gravierende Folgen für Finanzen und die Versorgung der Patienten und Bewohner. Manche Verantwortliche fordern bereits bei leichter Unterschreitung der Temperaturgrenzen eine Entsorgung der gekühlten Waren. Die automatische Messung mit LoRaWAN hilft Müll zu vermeiden (link) und die Umwelt zu schonen.

Ziel dieses Projekts Kühlschrank überwachen

In diesem Bericht zeigen wir, wie man ein einfaches LoRaWAN-Netzwerk lokal aufbaut und mit Sensoren per Funk langfristig einen Kühlschrank überwachen kann. Sowohl Temperatur als auch Luftfeuchte werden in einer Datenbank gespeichert und können anschließend per Messenger oder online angezeigt werden. Obendrauf messen wir die Schließzahl. Das bedeutet, wir erfassen, wie oft die Kühlschranktüre geöffnet wurde. Durch die Nachrüstung mit Senosren auf Basis von LoRaWAN soll der Aufwand an Dokumentation reduziert und zugleich die Datenqualität erhöht werden. Zudem wird mit besserer Datenlage ein akuter oder sich ankündigender Ausfall schneller erkennbar. Hierdurch kann finanzieller Schaden gespart und Material besser gesichert werden. Die bessere Datenlage ermöglicht zugleich interessante Rückschlüsse und Vorhersagen zur Nutzung und zum Zustand des Gerätes.

Gateway suchen oder installieren

Um Messwerte vom Sensor (node) in das Internet zu übertragen benötigen Sie ein gateway. Vielleicht gibt es bereits ein gateway mit guter Reichweite in Ihrer Nähe. Hierbei hilft die Karte mit LoRaWAN-gateways auf TTN (link). Oder Sie installieren sich selbst ein gateway. Dabei wird zwischen Geräten für Außen- und Innen unterschieden. Für den Innenbereich genügt ein einfaches plug-and-play-gateway. Diese Geräte haben mindestens eine Antenne und können frei im Haus aufgestellt werden. Allerdings ist die Reichweite bei Innenantennen stark begrenzt. Somit sollte das Innengateway in der Nähe der Sensoren platziert werden.

Messungdaten über LoRaWAN bietet einen Mehrwert

Für die ersten Sensor reicht ein gateway in der Nähe vollkommen aus. Bei komplexen Gebäuden sind mehrere gateways sinnvoll. Denn Ihr Sensor wird dann von allen gateways in Reichweite empfangen. Dabei wird beim zentralen Server immer das Datenpaket mit dem besten Signal verwendet. Und dadurch eine bestmögliche Datenqualität erreicht. Bei Außengateways kommt dazu ein Mehraufwand für die Mastmontage, Erdung und Verkabelung. Nach korrekter Vernetzung sind Sie bereit für den Empfang der Datenpakete. Zum Einstieg genügt die frei verwendbare Serverlandschaft beim TTN (the things network). Wir machen bei ELKOBA seit 2019 gute Erfahrungen mit LoRaWAN. Unser zentrales gateway hat sehr schnell Interesse für mehr Sensoren und Anwendungen erzeugt. Es werden dadurch Messstellen an Orten möglich, die vorher als als undenkbar galten. Wie zum Beispiel Müllbehälter, Ackerflächen oder Kühlschränke.

Den Sensor in das Netzwerk einbinden

Wir haben uns als Temperatursensor für einen Dragino LHT-65N entschieden. Dabei handelt es sich um einen preiswerten und robusten Sensor für Luftfeuchte und Temperatur. Jeder Sensor muss zuerst im TTN-Netzwerk unter https://www.thethingsnetwork.org/ registriert werden. Da es sich beim LHT-65N um einen weit verbreiteten LoRaWAN-node handelt, sind die grundlegenden Eckdaten im TTN-Portal bereits vorausgefüllt. Nur die Schlüssel sowie eine individuelle Kennzeichnung werden noch hinterlegt. Danach wird der node per Tastendruck aktiviert. Und bei korrekter Konfiguration beginnt der Sensor regelmäßig Daten zu senden. Diese Daten sind sofort im TTN-Portal sichtbar und können nun per MQTT herausgefischt werden.

Messwerte aus TTN mit MQTT abholen und abspeichern

Nun werden die Daten in das TTN-Netzwerk überspielt. Jedoch werden die Datenpakete darin nicht gespeichert. Somit müssen Sie die Daten aus dem TTN-Netzwerk herausfischen. Dazu verwenden Sie das Protokoll MQTT. Als Plattform hat sich nodered bewährt. Diese Plattform nodered ist vergleichbar mit einem digitalen Güterbahnhof. Sie als Programmierer legen den Eingang, die Weichenstellung, Verarbeitung sowie den Ausgang Ihrer Daten fest. Dies geschieht per einfachem verschieben und verknüpfen der einzelnen Bausteine. Im screenshot oben holen wir die Daten unseres Sensors per MQTT ab, bereiten diese für die Datenbank auf und leiten schließlich die Messwerte an eine externe mySQL-Datenbank weiter. Das klingt kompliziert. Ist jedoch leicht erlernbar. Die Einarbeitung in MQTT und nodered erfordert etwas Zeit. Dafür erhält man maximale Flexibilität und sehr preiswerte Möglichkeiten im Umgang mit Messdaten.

Die Messdaten online Anzeigen

Danach ist es relativ einfach, vorhandene Daten aus einer SQL-Datenbank online darzustellen. Ganz nach Ihrem Wunsch können Messwerte, Zeitverläufe und Statistiken erstellt und angezeigt werden. Und das sowohl auf internen Seiten, die nur für Mitarbeiter oder Verantwortliche zugänglich sind. Als auch öffentlich um Transparenz zu zeigen. In der Grafik unten sehen Sie den Temperatur-Zeitverlauf eines Tiefkühlfaches. Die Aufzeichnung der Messwerte erfolgt präzise und Störungen werden rasch sichtbar. All das wird möglich durch eine regelmäßige, automatische und digitale Sammlung von Daten.

Automatische Dokumentation für Kontrollstellen

Gesundheitsämter und Qualitätsprüfer können bei Bedarf Einsicht in Dokumentationen fordern. Allerdings führen mangelhafte oder nachträglich erstellte Dokumentation immer wieder zu Diskussion oder Ärger. Mit der automatischen Messung können Sie nicht nur Ihren Kühlschrank überwachen. Sondern Sie haben zugleich permament eine Datengrundlage für Kontroll- und Prüfstellen zur Hand. Erstmals nutzten wir digitale Messungen während der Covid-Pandemie. Hier stellten wir einer örtlichen Covid-Teststelle ein digitales Messystem für die Aufbewahrung der Abstriche bereit.

Digitalisierung ist, wenn sich das Problem rechtzeitig beim Anwender oder Techniker meldet

Zitat, Meinung des Verfassers

Störmeldung via Messenger telegram

Bisher werden Störungen erst erkannt wenn es bereits zu Schaden oder Ausfall gekommen ist. Durch die automatische Erfassung von Messdaten kehrt sich der Prozess um. Zu jeder Tages- und Nachtzeit werden die Messdaten erfasst. Bei Verletzung von festlegbaren Grenzwerten kann eine automatische Störmeldung ausgesendet werden. Diese Störmeldung kann lokal über Licht oder Ton erfolgen. Oder digital zum Beispiel über den Messenger telegram. Hierzu kommt erneut die Plattform nodered zum Einsatz. Mit passender Konfiguration wird im digitalen Rangierbahnhof festgelegt, ob und wann eine Meldung über den Messenger telegram erfolgen soll. Somit kann an fast jeden Ort der Welt binnen Sekunden die Meldung weitergeleitet werden.

Dies geht soweit, dass Sie sich Zeitfenster setzen können. in denen kein Zugriff auf die Kühlanlage zu erwarten ist. Es gibt Fälle, wo sich der Küchenchef über ungeplante Leerung von Süßspeisen wundert. Durch einen Türkontakt mit LoRaWAN wird die Anzahl, Uhrzeit und Öffnungszeit dokumentiert. Und daran wird die wesentliche Stärke von Digitalisierung sichtbar: Man muss nicht mehr das Problem suchen oder dem entstandenen Schaden zusehen. Sondern die Prozesse kehren sich um. Das Problem meldet sich beim Anwender oder Techniker bevor es zu einem großen Problem wächst.

Bastellösung wird durch LoRaWAN Sensor ersetzt

Gerade in Kliniken und Pflegeheimen sieht man immer wieder externe Sensorkabel. Diese Sensorkabel werden durch die Türdichtung verlegt. Damit innen die Temperatur gemessen und am Display außen angezeigt wird. Dadurch entsteht eine Leckage am Kühlschrank. Wodurch sich im Kühlgerät die Luftfeuchte und der Energieverbrauch erhöht. Mit LoRaWAN erfolgt die Messung direkt von Innen. Der Kühlschrank bleibt künftig zu. Durch weniger Feuchte und Luftzug bleibt der Kühlschrank innen hygienisch. Nachdem die Dichtung nicht mehr durch ein Kabel gestört wird sinkt der Energieverbrauch des Kühlschranks. Allein durch diese Einsparung rechnet sich der Kaufpreis für den LoRaWAN-Sensor. Den Kühlschrank automatisch über LoRaWAN zu überwachen bietet somit viele Vorteile.

Vorhersagbarer Ausfall an Kompressor oder Dichtung

Zum Schluss wagen wir einen Blick in die Zukunft. Und diese Zukunft haben Sie durch Datenerfassung mit LoRaWAN ab sofort selbst in der Hand. Denn durch regelmäßige Daten werden bisher undenkbare Messwerte sichtbar. Wie zum Beispiel eine fehlerhafte Türdichtung am Kühlschrank durch Alterung oder hohe Schließzahlen. Oder Unregelmäßigkeiten beim Kältekompressor Ihrer Kühlanlage. Diese Abschätzung findet bei vielen Kühlschränken bisher meist gar nicht oder nur per Sichtprüfung statt.

Vergleich zwischen automatischer und manueller Dokumentation

Eckpunkt	LoRaWAN	manuelle Kontrolle
Überwachung	24h / 7 Tage	ein bis drei mal täglich in Stichproben
Datenerfassung	digital fortlaufend	auf Papierliste
Digitale Archivierung	ja, automatisch	nein, nur mit hohem Zusatzaufwand
Laufende Kosten	ca. 25€ Senosrwartung pro Jahr	tägliche Personalbindung
Startkosten Außengateway mit Mast und Erdung	ca. 1.000€	–
Sensorik beliebig skalierbar	ja	nein
Kosten pro Sensor	ca. 65€	–
Diagramm online per app / browser	ja	nein
Datenlage für KI nutzbar	ja	nein

Fazit Kühlschrank überwachen und ein Blick in die Zukunft

Die händische Dokumentation der Kühlschranktemperatur ist bei uns definitiv Geschichte. Nun erfolgt die Messung der Temperatur im Kühlschrank vollkommen automatisch. Künftig wird künstliche Intelligenz automatisch Abweichungen vom Normalzustand erkennen. Und Ihnen Meldung geben, wenn sich Verschleiß der Ausfall ankündigen. Dadurch werden Ausfall und Neubeschaffung planbar. Während zugleich Schaden oder Verlust an Kühlware vermieden wird. All dies wird künftig möglich werden. Wichtig dazu ist eine zuverlässige Datenlage. Ihren Kühlschrank überwachen Sie preiswert mit einem Temperatur- und Türsensor mit LoRaWAN. Die Informationen daraus schonen die Umwelt und bieten Ihnen einen echten Mehrwert.

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