WO2023213824A1 - Mesh-gateway-netzwerk und verfahren - Google Patents

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WO2023213824A1
WO2023213824A1 PCT/EP2023/061571 EP2023061571W WO2023213824A1 WO 2023213824 A1 WO2023213824 A1 WO 2023213824A1 EP 2023061571 W EP2023061571 W EP 2023061571W WO 2023213824 A1 WO2023213824 A1 WO 2023213824A1
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WO
WIPO (PCT)
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gateway
gateways
network
communication
connection
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/061571
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carsten Brinkschulte
Marco Bönig
Original Assignee
Dryad Networks GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dryad Networks GmbH filed Critical Dryad Networks GmbH
Publication of WO2023213824A1 publication Critical patent/WO2023213824A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/005—Fire alarms; Alarms responsive to explosion for forest fires, e.g. detecting fires spread over a large or outdoors area
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B25/00—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems
    • G08B25/009—Signalling of the alarm condition to a substation whose identity is signalled to a central station, e.g. relaying alarm signals in order to extend communication range
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B25/00—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems
    • G08B25/01—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems characterised by the transmission medium
    • G08B25/10—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems characterised by the transmission medium using wireless transmission systems

Definitions

  • the invention relates to an early forest fire detection system comprising a mesh gateway network with a network server, a plurality of first gateways and a plurality of terminal devices, the shortest communication connection between a terminal device and the network server of the mesh gateway network being a multi-hop connection and where the multi-hop connection has two or more hops between similar elements, as well as a corresponding method for communication in a mesh network.
  • optical sensors that can detect columns of smoke that arise in the event of a forest fire.
  • These sensors are, for example, rotatable cameras, which, however, have the disadvantage that they are less effective at night and are susceptible to false detections, for example in the case of dust clouds as a result of agricultural activities.
  • optical systems can usually only detect the forest fire when the forest fire is already advanced and the smoke columns become visible over greater distances.
  • Monitoring from a high orbit using an IR camera installed in a satellite has the disadvantage that the resolution of the cameras over large distances prevents forest fires from being detected in the early phase.
  • a satellite is also expensive to purchase and maintain, especially when launching the satellite.
  • Satellite monitoring also involves high carbon dioxide emissions during launch. It makes more sense to monitor the area using a number of inexpensive, mass-produced sensors that work using optical smoke detection and/or gas detection. The sensors are distributed throughout the area and deliver data to a base station via radio connection.
  • This system has the disadvantage that the control terminal triggers the alarm and must have a powerful RF unit to do this.
  • the sensors require a GPS unit that constantly sends a signal to the control terminal. The power consumption of the sensors is therefore high and the service life of the sensors' energy sources (batteries) is limited.
  • the task is solved using an early forest fire detection system with a mesh gateway network.
  • Advantageous embodiments are set out in the subclaims.
  • the early forest fire detection system according to the invention with a mesh gateway network has a network server.
  • the network server has interfaces to other applications with which a forest fire can be analyzed, e.g. determining the extent, direction of spread and speed of spread of a forest fire.
  • the early forest fire detection system also has a plurality of first gateways.
  • the first gateway communicates directly with other gateways, relays and/or optionally also with end devices in the mesh gateway network.
  • the early forest fire detection system also has a plurality of relays and terminal devices.
  • the terminal device has a sensor device which has one or a plurality of sensors for early forest fire detection, for example for gas analysis.
  • the relay controls the communication between the end device and the gateway.
  • the shortest communication connection between a terminal and the network server of the mesh gateway network is a multi-hop connection, the multi-hop connection having one or more hops between similar elements.
  • the shortest connection between a terminal of the early forest fire detection system according to the invention and a network server is preferably a multi-hop connection comprising at least 3 hops.
  • terminal devices are similar elements to one another, and in the same way, first gateways are similar elements to one another. Terminal devices and first gateways are therefore dissimilar or different elements from one another. Furthermore, relays are similar elements to one another, but relays and first gateways and/or relays and terminal devices are unequal or different elements.
  • the mesh gateway network therefore has end devices and initial gateways that do not have a direct single-hop connection to a network server. Communication between the gateways occurs through a multi-hop connection. The shortest communication connection between a terminal device and the network server therefore has at least two hops between terminal devices and two first gateways.
  • a relay in the sense of this invention is a device that has a microcontroller, a radio, an antenna and a power supply.
  • a relay can transmit signals and/or messages between a terminal or a relay and another relay, a gateway and/or network server in both directions (uplink and downlink).
  • the relay is hardware for forwarding messages from a device to the network and/or vice versa.
  • the relay provides a wake-up function that allows the relay to be woken up from a standby and/or sleep mode. If a relay receives a wake-up signal, the wake-up signal is responded to with a response signal to the sender of the wake-up signal.
  • the sender of the wake-up signal (a terminal, another relay or a gateway now knows that the relay is ready to receive and can send the signal or message to the relay. After receiving this actual signal from the terminal, relay or gateway and its Forwarding to another relay, device or gateway, the relay goes back into standby and/or sleep mode.
  • the multi-hop connection has two or more hops between similar elements.
  • the multi-hop connection has one or more hops between two relays (R).
  • the relays can be controlled in such a way that they do not have to be in receiving mode at all times, like the gateways, for example. As a result, they use significantly less energy and require a smaller energy supply, which saves costs.
  • the mesh gateway network has several second gateways.
  • the second gateways communicate with the network server via an Internet connection.
  • the Internet connection is a wireless point-to-point connection, preferably using a standard Internet protocol.
  • the first and second gateways represent elements that are different from one another.
  • relays are different from both first gateways and second gateways.
  • the mesh gateway network therefore has four different elements: end devices, relays, first gateways and second gateways.
  • the multi-hop connection comprises a connection via several terminal devices.
  • a terminal is connected to both other terminals and first gateways via a single-hop connection.
  • relays are terminal devices that have a repeater function and/or a relay function. This achieves a multi-hop connection between end devices. A message generated and sent by one device is received, if necessary amplified and forwarded by another device.
  • a repeater in the sense of this document is an electrical or optical signal amplifier or conditioner to increase the range of a signal.
  • the repeater is located at some distance from the transmitter, receives its signals and sends it forward in a processed form, which means that a greater distance can be bridged.
  • the signal can also be decoded by the repeater, which removes signal interference (such as noise or distortion of the pulse shape). The signal is then re-encoded, modulated and retransmitted.
  • Simple repeaters do not influence the transmitted information, but only process the electrical or optical signal.
  • more sophisticated digital repeaters can e.g. B. add an identifier that enables the signal path to be traced if there are several possible paths.
  • the terminal devices form a terminal mesh network with one another. Due to the repeater function and/or a relay function of the terminal devices, messages generated by a terminal device are forwarded between terminal devices using a multi-hop connection.
  • the terminal mesh network is connected to the network server via several gateways. Using a multi-hop connection between terminal devices, a message generated by a terminal device is forwarded until the message is received by a gateway that is connected to the network server.
  • connection from the terminal device to the network server comprises fewer gateways than are connected to the terminal device mesh network.
  • the multi-hop connection between the terminal device and the network server for sending messages from a terminal device to the network server is chosen such that it is the shortest connection, i.e. has a minimum of hops. This reduces data transfer to a minimum.
  • the multi-hop connection comprises a connection via several first and/or second gateways.
  • a gateway is connected to both first gateways and second gateways via a single-hop connection.
  • the gateways have a repeater function and/or a relay function. This achieves a multi-hop connection between gateways.
  • a message received by one gateway is received by another gateway, if necessary amplified and forwarded.
  • the first gateways and/or the second gateways together form a gateway mesh network. Due to the repeater function and/or a relay function of the gateways, messages received by a gateway are forwarded between gateways using a multi-hop connection.
  • the mesh gateway network includes an LPWAN.
  • LPWAN describes a class of network protocols for connecting low-power devices such as battery-powered sensors to a network server.
  • the protocol is designed in such a way that a long range and low energy consumption of the end devices can be achieved with low operating costs.
  • the mesh gateway network is a LoRaWAN mesh gateway network.
  • LoRaWAN has particularly low energy consumption.
  • the LoRaWAN networks implement a star-shaped architecture using first and second gateway message packets between the end devices and the central network server. The second gateways are connected to the network server, while the end devices communicate wirelessly with a first gateway via LoRa.
  • the second gateway has a communication interface that provides an Internet connection to the network server.
  • the Internet connection is a wireless point-to-point connection, preferably using a standard Internet protocol.
  • the terminal devices, relays and/or the first gateways have an autonomous energy supply. In order to be able to install and operate the end devices and the relays and/or first gateways connected to them even in inhospitable and especially rural areas far from energy supplies, the end devices, relays and the first gateways are equipped with a self-sufficient energy supply. The energy supply can take place, for example, through energy storage - also rechargeable.
  • the self-sufficient energy supply has an energy storage and/or an energy conversion device.
  • the energy supply using solar cells should be mentioned, in which energy conversion of photoelectric energy takes place.
  • the electrical energy is usually stored in an energy storage device to ensure the energy supply even in times of low solar radiation (e.g. at night).
  • the terminal devices and the first gateways are operated off-grid. Due to the self-sufficient energy supply of end devices, relays and initial gateways, these devices can be operated autonomously without a supply network. Therefore, terminal devices, relays and initial gateways can be distributed and networked, particularly in impassable areas that cannot be reached with conventional radio networks.
  • the first gateways of the mesh gateway network are front-end gateways and/or the second gateway is a border gateway.
  • the division of the gateways into front-end gateways and border gateways significantly expands the range of the LoRaWAN network, whereby standard LoRaWAN-compatible end devices can still be used, which are distributed far into impassable areas that cannot be reached with standard wireless networks can be networked.
  • the first gateway has a first front-end gateway communication interface for communicating with a terminal and a second front-end gateway communication interface for communicating with another first gateway and/or a second gateway.
  • the first gateway is therefore suitable for being connected both to a terminal device via a single-hop connection (chirp frequency spread modulation or frequency modulation) and to a gateway via a single-hop or preferably multi-hop connection as a meshed multi-hop radio network communicate. Both connections use different protocols and therefore require different interfaces.
  • each first gateway is suitable for wireless point-to-point communication with a large number of terminal devices using single-hop LoRa or FSK radio using the LoRaWAN protocol. Therefore, there is complete compatibility with commercially available LoRa devices.
  • the first gateway communicates with the end device via standard LoRaWAN radio protocol or via standard LoRa radio connection. It therefore does not need to be modified to take advantage of the advantages of the mesh network.
  • the mesh architecture is, so to speak, “transparent” to the end device.
  • At least individual first gateways do not have a direct IP connection.
  • Mesh gateways consist of a combination of the first gateways and the second gateways.
  • the mesh gateways communicate with each other using a multi-hop wireless network, and at least one mesh gateway is connected to the network server via standard Internet protocol.
  • the second gateway is intended for communication with the network server using a standard IP connection and using the LoRaWAN protocol. At least one of the first gateways communicates directly with a second gateway. The second gateway sends the data from a terminal device directly to the network server using an Internet protocol.
  • This kind of Communication and division of the gateways into two types of gateways expand the LoRaWAN network significantly, whereby standard LoRaWAN-compatible end devices can still be used, which can be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with standard wireless networks. These devices are any commercially available devices that do not need to be customized to take advantage of the mesh network.
  • the second gateway has a first border gateway communication interface for communicating with a network server and a second border gateway communication interface for communicating with a first gateway.
  • the second gateway is therefore suitable for communicating with another gateway via a single-hop or preferably multi-hop connection as a meshed multi-hop radio network.
  • Communication with the network server can be carried out wirelessly or by wire via a standard Internet connection. Both connections use different protocols and therefore require different interfaces.
  • the task is also solved using the method for communication in a mesh network with a network server, several first gateways and several terminal devices of an early forest fire detection system.
  • Advantageous embodiments of the invention are set out in the subclaims.
  • a signal is sent from a terminal to a network server or from a network server to a terminal via a communication connection.
  • communication takes place via a multi-hop connection with one or more hops between similar elements.
  • all terminal devices are similar elements to one another, and in the same way all first gateways are similar elements to one another. All relays are also similar elements.
  • relays and terminal devices or first gateways and relays and first gateways are dissimilar elements.
  • the mesh gateway network therefore has end devices and initial gateways that do not have a direct single-hop connection to a network server. Communication between the gateways occurs through a multi-hop connection.
  • the shortest communication connection between a terminal and the network server therefore has at least one hop between terminal devices and a first gateway.
  • communication takes place via a multi-hop connection with two or more hops between similar elements.
  • a multi-hop connection with two or more hops between similar elements.
  • communication between similar elements is not provided and the range is therefore limited. This limitation is lifted by multihop communication across several similar elements.
  • the multi-hop connection takes place with one or more hops between two relays (R).
  • the relays can be controlled in such a way that they do not have to be in receiving mode at all times, like the gateways, for example. As a result, they use significantly less energy and require a smaller energy supply, which saves costs.
  • the multi-hop connection with two or more hops between similar elements is the shortest connection between the terminal and the network server.
  • the shortest connection between a terminal of the early forest fire detection system according to the invention and a network server is preferably a multi-hop connection comprising at least 4 hops.
  • the multi-hop connection between the terminal device and the network server for sending messages from a terminal device to the Network server is chosen so that it is the shortest connection, i.e. has a minimum of hops. This reduces data transfer to a minimum.
  • the mesh network has several second gateways and communication takes place via the first and second gateways.
  • a gateway is connected to both first gateways and second gateways via a single-hop connection.
  • the second gateways communicate with the network server via an Internet connection.
  • the relays, the first and the second gateways represent elements that are different from one another.
  • the mesh gateway network therefore has three elements that are different from one another: terminal devices, first gateways and second gateways.
  • communication takes place via a multi-hop connection, the multi-hop connection comprising a connection via several terminal devices.
  • a terminal is connected to both other terminals and first gateways via a single-hop connection.
  • the terminal devices perform a repeater function and/or a relay function. This achieves a multi-hop connection between end devices. A message generated and sent by one device is received, if necessary amplified and forwarded by another device.
  • communication takes place via a terminal mesh network, the terminal mesh network being formed by terminal devices connected to one another. Due to the repeater function and/or a relay function of the terminal devices, messages generated by a terminal device are forwarded between terminal devices using a multi-hop connection.
  • communication from the terminal device mesh network takes place via several gateways with the network server. Using a multi-hop connection between terminal devices, a message generated by a terminal device is forwarded until the message is received by a gateway that is connected to the network server.
  • communication takes place via a connection to the network server, which includes fewer gateways than are connected to the terminal mesh network.
  • the multi-hop connection between the terminal device and the network server for sending messages from a terminal device to the network server is chosen such that it is the shortest connection, i.e. has a minimum of hops. This reduces data transfer to a minimum.
  • communication takes place via a multi-hop connection, the multi-hop connection comprising a connection via a plurality of first and/or second gateways.
  • a gateway is connected to both first gateways and second gateways via a single-hop connection.
  • the gateways have a repeater function and/or a relay function. This achieves a multi-hop connection between gateways. A message received by one gateway is received by another gateway, if necessary amplified and forwarded.
  • the first gateways and/or the second gateways together form a gateway mesh network. Due to the repeater function and/or a relay function of the gateways, messages received by a gateway are forwarded between gateways using a multi-hop connection.
  • the mesh gateway network of the early forest fire detection system comprises an LPWAN.
  • LPWAN describes a class of network protocols for connecting low-power devices such as battery-powered sensors to a network server. The protocol is designed in such a way that a long range and low energy consumption of the end devices can be achieved with low operating costs.
  • the mesh gateway network comprises a LoRaWAN mesh gateway network.
  • LoRaWAN has particularly low energy consumption.
  • the LoRaWAN networks implement a star-shaped architecture using first and second gateway message packets between the end devices and the central network server. The second gateways are connected to the network server, while the end devices communicate wirelessly with a first gateway via LoRa.
  • the message is sent from the terminal to the first gateway via a multi-hop connection.
  • a message generated by a terminal device is forwarded until the message is received by a gateway that is connected to the network server.
  • a terminal forwards the message to a second terminal.
  • a message generated by a terminal device is forwarded until the message is received by a gateway that is connected to the network server.
  • the forwarding from terminal to terminal takes place via a multi-hop connection.
  • a message generated by a terminal device is forwarded until the message is received by a gateway that is connected to the network server.
  • the multi-hop connection includes at least 2 hops.
  • the first gateway forwards the message to a second gateway and/or to the network server.
  • a message received by one gateway is received by another gateway, if necessary amplified and forwarded.
  • the multi-hop connection has at least 2 hops between two gateways.
  • FIG. 1a Early forest fire detection system with a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server and first and second gateways
  • Fig. 1b Early forest fire detection system with a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, relays, a network server and first and second gateways
  • Fig. 1c Detailed view of an early forest fire detection system with a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, relays, a network server and first and second gateways
  • Fig. 2a Early forest fire detection system with a terminal mesh network with terminal devices, a network server and border gateways
  • FIG. 3 Early forest fire detection system with a gateway mesh network with a network server as well as first gateways and border gateways
  • Fig. 4 Detailed view of an early forest fire detection system with a gateway mesh network with a network server as well as front-end and border gateways
  • Fig. 5a Early forest fire detection system with a terminal mesh network and a gateway mesh network
  • FIG. 6a Detailed view of an early forest fire detection system with a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server and first and second gateways
  • FIG. 6b Detailed view of an early forest fire detection system with a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, relays, a network server and first and second gateways
  • Fig. 8a Connections in the LoRaWAN network, having a terminal mesh network and a gateway mesh network
  • Fig. 8b Connections in the LoRaWAN network, having relays, a terminal mesh network and a gateway mesh network
  • Figure 1a shows an early forest fire detection system 1 according to the invention arranged in the forest W to be monitored.
  • the early forest fire detection system 1 has a plurality of terminal devices ED.
  • a single ED device has a sensor unit that has sensors, for example, for determining air humidity, air pressure and a temperature sensor.
  • an ED device has sensors for gas analysis and for recording the prevailing wind direction, with which the composition and concentration of gases as well as their direction of propagation are determined.
  • an ED terminal device is equipped with a self-sufficient energy supply.
  • the energy supply is a battery, which can also be designed to be rechargeable. It is also possible to use capacitors, such as supercapacitors. The use of solar cells is somewhat more complex and cost-intensive, but offers a very long service life for the ED device.
  • the terminal ED also has a communication interface as well as a first control device and an evaluation device.
  • the communication interface of the terminal device ED is connected wirelessly to communication interfaces of the gateways Gn.
  • the first control device is connected to the communication interface and the sensor device and controls them.
  • the forest fire early detection system 10 has a mesh gateway network 1 that uses the technology of a LoRaWAN network.
  • the LoRaWAN network has a star-shaped architecture in which message packets are exchanged between the sensors ED and a central network server NS using gateways.
  • the forest fire early detection system 10 has a large number of terminal devices ED, which are connected to gateways G1, G2 via a single-hop connection FSK.
  • the first gateways G1 are usually front-end gateways FGD.
  • the front-end gateways FGD are connected to each other and partly to the border gateways BGD.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS, either via a wired connection WN or via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not require a direct connection to the Internet network server NS.
  • This will make one Range extension of LoRaWAN networks is achieved by interposing a multi-hop network using front-end gateways FGD and thus achieves full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • Figure 1b shows an early forest fire detection system 1 according to the invention arranged in the forest W to be monitored.
  • the early forest fire detection system 1 has a plurality of relays R.
  • a single relay R has a communication device for receiving and sending signals, data and messages.
  • a Relay R with terminal functionality for detecting a forest fire can be used via a sensor unit that has sensors, for example, for determining air humidity, air pressure and a temperature sensor.
  • a Relay R with end device functionality has sensors for gas analysis and for recording the prevailing wind direction, with which the composition and concentration of gases as well as their direction of propagation are determined.
  • the relay also has a first control device and an evaluation device. The first control device is connected to the communication interface and the sensor device and controls them.
  • a Relay R In order to be able to install and operate the Relay R in inhospitable and especially rural areas far away from energy supplies, a Relay R is equipped with a self-sufficient energy supply.
  • the energy supply is a battery, which can also be designed to be rechargeable. It is also possible to use capacitors, e.g. supercapacitors. The use of solar cells is somewhat more complex and cost-intensive, but offers a very long service life for the Relay R.
  • the relay also has a communication interface and a first control device.
  • the communication interface of the relay R is connected wirelessly to communication interfaces of other relays R, terminal devices ED and/or the gateways Gn.
  • the forest fire early detection system 10 has a mesh gateway network 1 that uses the technology of a LoRaWAN network.
  • the LoRaWAN network has a star-shaped architecture in which message packets are exchanged between the sensors of the end devices ED and a central network server NS using relays R and/or gateways Gn.
  • the forest fire early detection system 10 has a large number of terminal devices ED, which are connected to relays R and/or gateways G1, G2 via a single-hop connection FSK.
  • the relays R are connected to further terminal devices ED, further relays R and/or gatewas Gn via single-hop connections.
  • the relays R are also connected to other relays R via multi-hop connections.
  • the first gateways G1 are usually front-end gateways FGD.
  • the frontend gateways FGD are connected to each other and partly to border gateways BGD.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS, either via a wired connection WN or via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not require a direct connection to the Internet network server NS.
  • This achieves an extension of the range of LoRaWAN networks by interposing a multi-hop network using FGD front-end gateways, thus achieving full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • Fig. 1c shows a detailed view of the forest fire early detection system 10 according to the invention arranged in the forest W to be monitored.
  • the forest fire early detection system 10 has a plurality of terminal devices ED equipped with sensors, with eight terminal devices ED each communicating with a relay via a single-hop connection FSK.
  • the relays R in turn also communicate with a gateway G1 via a single-hop connection.
  • the relays R can also communicate with each other via single-hop and/or multi-hop connections.
  • the gateways G1 are front-end gateways FGD.
  • the frontend gateways are FGD with each other and with each other BGD border gateways connected.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS, via a wired connection WN or via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • FIG. 2a An exemplary embodiment of a terminal device mesh network 20 is shown in FIG. 2a.
  • the terminal mesh network 20 has a large number of terminal devices ED distributed over the forest W to be monitored, as well as four border gateways BGD.
  • the terminal mesh network 20 is connected to the network server NS via the four border gateways BGD, the border gateways BGD being directly connected to the Internet network server NS, either via a wired connection WN or via a wireless connection using Internet protocol IP.
  • a terminal ED is connected to at least one further terminal ED by means of a single-hop connection FSK.
  • a terminal ED has a communication interface.
  • messages from the terminal ED, in particular measurement data are forwarded as a data packet wirelessly to at least one further terminal ED via a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • the communication connection from a terminal ED to the Internet network server NS runs via a multi-hop connection between the terminal ED, which generates a signal for forwarding to the Internet network server NS, and other terminal devices ED, until a terminal ED the generated signal is sent to a border gateway BGD, received by the border gateway BGD and sent to the Internet network server NS.
  • the connection between the terminal device ED and the border gateway BGD is also wireless using a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • the multi-hop connection is such that at least two hops are carried out between two terminal devices ED.
  • the connection of a terminal ED to the network server NS is established via exactly one border gateway BGD and therefore includes fewer gateways BGD than are connected to the terminal mesh network 20.
  • the multi-hop connection of a terminal device ED to the network server NS with two or more hops between the terminal devices ED is advantageously chosen such that it is the shortest multi-hop connection between the terminal device ED and the network server NS, maW the minimum number of terminal devices ED between the terminal device ED, which generates a signal for forwarding to the Internet network server NS, and a border gateway BGD for connection is used.
  • the ED terminals have a repeater function for wired connections and/or a relay function for radio connections.
  • the signal received on the ED device is further sent and amplified if necessary. This enables the signals generated by a terminal ED to be transmitted over longer distances than would be possible with a direct connection. Topographical obstacles in the forest W to be monitored are also avoided.
  • FIG. 2b An exemplary embodiment of a relay mesh network 25 is shown in FIG. 2b.
  • the relay mesh network 25 has a large number of terminal devices ED (not shown in FIG. 2b) distributed over the forest W to be monitored, a large number of relays R which together form a mesh network, and four border gateways BGD.
  • the relay mesh network 25 is connected to the network server NS via the four border gateways BGD, the border gateways BGD being directly connected to the Internet network server NS, either via a wired connection WN or via a wireless connection using Internet protocol IP.
  • a relay R is connected to at least one further relay R and one or more terminal devices ED by means of a single-hop connection FSK.
  • a relay R has a communication interface for this purpose. Using the communication interface, messages from the relay R received from a terminal ED or a relay R, in particular measurement data, as a data packet wirelessly forwarded to at least one further relay R using a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • LoRa chirp frequency spread modulation
  • the communication connection from a terminal ED to the Internet network server NS runs via a multi-hop connection between the relay R, which generates a signal for forwarding to the Internet network server NS, and one or more further relays R, to a relay R sends the generated signal to a border gateway BGD, is received by the border gateway BGD and sent to the Internet network server NS.
  • the Relay R - Border Gateway BGD connection is also wireless using a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • the multi-hop connection is such that at least two hops are performed between two relays R.
  • the connection of a relay R to the network server NS is established via exactly one border gateway BGD and therefore includes fewer gateways BGD than are connected to the relay mesh network 25.
  • the multi-hop connection of a relay R to the network server NS with two or more hops between the relays R is advantageously chosen such that it is the shortest multi-hop connection between the relay R and the network server NS, m.a.W. the minimum number of relays R between the terminal ED, which generates a signal for forwarding to the Internet network server NS, and a border gateway BGD for connection is used.
  • the relays R have a repeater function and/or a relay function for radio connections.
  • the signal received on the Relay R is sent further and amplified if necessary.
  • the signal is sent to a predetermined or selected receiver R, BGD.
  • This receiver can be a relay R and/or a gateway (not shown in FIG. 2b) (frontend and/or border gateway BGD). This results in a transmission from a relay R generated signals over longer distances than would be possible with a direct connection. Topographical obstacles in the forest W to be monitored are also avoided.
  • the gateway IM es h network 30 has a large number of first gateways G1 distributed over the forest W to be monitored, as well as four border gateways BGD.
  • the first gateways G1 are front-end gateways FGD.
  • the gateway mesh network 30 is connected to the network server NS via the four border gateways BGD, the border gateways BGD being directly connected to the Internet network server NS, either via a wired connection WN or via a wireless connection using Internet protocol IP.
  • a first gateway G1 is connected directly to the directly adjacent first gateways G1 by means of a single-hop connection MHD. Eight first gateways G1 are also directly connected to one of the four border gateways BGD.
  • the connection of a first gateway G1 to the network server NS is established in this exemplary embodiment via exactly one border gateway BGD and, as in the previous exemplary embodiment (see FIG. 3), includes fewer gateways BGD than are connected to the gateway mesh network 30 .
  • the multi-hop connection of a first gateway G1 to the network server NS with two or more hops between the first gateways G1 is also chosen such that it is the shortest multi-hop connection between a first gateway G1 and the network server NS is.
  • the first gateways G1 also have a repeater function for wired connections and/or a relay function for radio connections.
  • FIG. 30 A detailed view of an exemplary embodiment of a gateway mesh network 30 is shown in FIG.
  • the gateway mesh network 30 has a large number of first gateways G1 distributed over the forest W to be monitored, as well as two border gateways BGD.
  • the gateway mesh network 30 is connected to the network server NS via the two border gateways BGD, the border gateways BGD being directly connected to the Internet network server NS via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • Fig. 5a shows an embodiment of an early forest fire detection system 1 according to the invention arranged in the forest W to be monitored.
  • the early forest fire detection system 1 has a terminal mesh network 20 (see Fig. 2) and a gateway mesh network 30 (see Fig. 3 ), which together form the mesh gateway network 1.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not have a direct connection to the Internet network server NS.
  • a terminal ED is connected to at least one further terminal ED by means of a single-hop connection FSK.
  • Messages e.g. measurement data, are forwarded wirelessly from the ED device as a data packet to at least one other ED device using a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • LoRa chirp frequency spread modulation
  • the communication connection from a terminal ED to the Internet network server NS runs via a multi-hop connection between the terminal ED, which generates a signal for forwarding to the Internet network server NS and sends it to a front-end gateway FGD and received by the front-end gateway FGD.
  • the signal is then sent to one or further front-end gateway FGD, received by it and forwarded to a border gateway BGD, from which the signal is forwarded to the Internet network server NS.
  • a first gateway G1 has a first front-end gateway
  • a first gateway G1 also has a further second front-end gateway communication interface for communication with another first gateway G1 and/or a second gateway G2.
  • a second gateway G2 also has a second border gateway communication interface for communicating with a first gateway G1, as well as a first border gateway communication interface for communicating with a network server.
  • the first G1 and second gateways G2 each have an autonomous energy supply.
  • FIG. 5b shows an embodiment of an early forest fire detection system 1 according to the invention arranged in the forest W to be monitored.
  • the forest fire early detection system 1 has a relay mesh network 25 (see FIG. 2b) and a gateway mesh network 30 (see FIG. 3 ), which together form the mesh gateway network 1.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not have a direct connection to the Internet network server NS.
  • a terminal ED (not shown in FIG. 5b) is connected to at least one relay R by means of a single-hop connection FSK.
  • a relay R is connected to at least one further relay R via a single-hop connection FSK and to at least one further relay R via a multi-hop connection.
  • Messages, e.g. measurement data from a terminal ED, are forwarded wirelessly by the relay R as a data packet using a single-hop connection and/or a multi-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation to at least one further relay R.
  • LoRa chirp frequency spread modulation
  • the communication connection from a terminal ED to the Internet network server NS runs via a multi-hop connection between the terminal ED, which sends a signal to Forwarding to the Internet network server NS is generated, sent to a relay R and received by the relay R.
  • the signal is then sent to one or further relays R, received by them and forwarded via a first gateway G1 to a border gateway BGD, from which the signal is forwarded to the Internet network server NS.
  • a relay R has a communication interface for this purpose.
  • messages from the relay R received by a terminal ED or a relay R are forwarded wirelessly as a data packet to at least one further relay R by means of a single-hop connection FSK via LoRa (chirp frequency spread modulation) or frequency modulation.
  • a first gateway G1 has a first front-end gateway communication interface. Messages from the terminal device ED are received and forwarded using the first front-end gateway communication interface.
  • a first gateway G1 also has a further second front-end gateway communication interface for communication with another first gateway G1 and/or a second gateway G2.
  • a second gateway G2 also has a second border gateway communication interface for communicating with a first gateway G1, as well as a first border gateway communication interface for communicating with a network server. Like the end devices ED, the first G1 and second gateways G2 each have an autonomous energy supply.
  • FIG. 6a A detailed view of an early forest fire detection system 10 according to the invention is shown in FIG. 6a, arranged in the forest W to be monitored.
  • the forest fire early detection system 10 has a plurality of terminal devices ED equipped with sensors, with eight terminal devices ED each communicating with a gateway G1 via a single-hop connection FSK .
  • the gateways G1 are front-end gateways FGD.
  • the front-end gateways FGD are connected to each other and to the border gateways BGD.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS via a wired connection WN or via a wireless connection using Internet protocol IP.
  • FIG. 6b A detailed view of an early forest fire detection system 10 according to the invention is shown in FIG. 6b, arranged in the forest W to be monitored.
  • the forest fire early detection system 10 has a plurality of terminal devices ED (not shown in FIG. 6b) equipped with sensors, each of which communicates with at least one relay. Eight relays R each communicate with a gateway G1 via a single-hop connection FSK.
  • the gateways G1 are front-end gateways FGD.
  • the front-end gateways FGD are connected to each other and to the border gateways BGD.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS via a wired connection WN or via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • FIG. 7a shows schematically an embodiment of the LoRaWAN network 1, into which the early forest fire detection system 10 according to the invention is integrated.
  • front-end gateways FGD and border gateways BGD are combined in one device.
  • These mesh gateways MDGn are a combination of the front-end gateways FGDn and the border gateways BGD.
  • the mesh gateways MDGn communicate with each other using a multi-hop radio network MHF and at least one mesh gateway MDG is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP via a cable connection WN.
  • the EDn device does not have to have a permanently active download receive window and therefore does not have to be active all the time.
  • the power consumption is reduced and the operating time of the EDn terminal devices is thus increased.
  • 7b shows schematically an embodiment of the LoRaWAN network 1, into which the early forest fire detection system 10 according to the invention is integrated.
  • a front-end gateway FGD and a border gateway BGD are combined in one device.
  • This mesh gateway MDG is a combination of the front-end gateways FGDn and the border gateways BGD.
  • the mesh gateways MDGn communicate with each other using a multi-hop radio network MHF and at least one mesh gateway MDG is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP via a cable connection WN.
  • the communication from a terminal ED1, ED2, ED3, EDn takes place here with the help of multi-hop connections via several relays R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, Rn to the mesh gateway MDG and from the mesh -Gateway MGD to network server NS.
  • the relays R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, Rn form a mesh relay network here.
  • the EDn device does not have to have a permanently active download receive window and therefore does not have to be active all the time. The power consumption is reduced and the operating time of the EDn terminal devices is thus increased.
  • the network 1 has a plurality of sensors ED, some of which are connected to one another and some of which are connected to front-end gateways FGD via a single-hop connection FSK.
  • the front-end gateways FGD are connected to each other and partly to the border gateways BGD.
  • a border gateway BGD can also be combined with a front-end gateway FGD to form a mesh gateway device MDG in one device.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not require a direct connection to the Internet network server NS.
  • This achieves an extension of the range of LoRaWAN networks by interposing a multi-hop network using FGD front-end gateways, thus achieving full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • the network 8b shows schematically a further embodiment of the LoRaWAN network 1, into which the early forest fire detection system 10 according to the invention is integrated.
  • the network 1 has a plurality of sensors installed in terminal devices ED, some of which communicate with each other and some with relays R1, R2, R3, R4, Rn via a single-hop connection FSK.
  • the relays R R1, R2, R3, R4, Rn communicate partly with each other and partly with front-end gateways FGD.
  • the front-end gateways FGD are connected to each other and partly to the border gateways BGD.
  • a border gateway BGD can also be combined with a front-end gateway FGD to form a mesh gateway device MDG in one device.
  • the border gateways BGD are connected to the Internet network server NS via a wireless connection using the Internet protocol IP.
  • the front-end gateways FGD and the border gateways BGD are connected to one another via a meshed multi-hop network MHF, so that a front-end gateway FGD does not require a direct connection to the Internet network server NS.
  • This achieves an extension of the range of LoRaWAN networks by interposing a multi-hop network using FGD front-end gateways, thus achieving full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • FIGa shows schematically a further embodiment of the LoRaWAN network 1, into which the early forest fire detection system 10 according to the invention is integrated.
  • Front-end gateways FGD and border gateways BGD are combined in one device.
  • These mesh gateways MDGn consist of a combination of the front-end gateways FGDn and the border gateway BGDn.
  • the mesh gateways MDGn communicate with each other using the multi-hop radio network MHF and at least one mesh gateway MDG is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP.
  • 9b shows schematically a further embodiment of the LoRaWAN network 1, into which the early forest fire detection system 10 according to the invention is integrated.
  • Front-end gateways FGD and border gateways BGD are combined in one device.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Waldbrandfrüherkennungssystem umfassend ein Mesh-Gateway-Netzwerk mit einem Netzwerk-Server, mehreren ersten Gateways und mehreren Endgeräten, wobei die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät und den Netzwerkserver des Mesh-Gateway-Netzwerks eine Multi-Hop-Verbindung ist und wobei die Multi-Hop-Verbindung zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen aufweist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk.

Description

M E S H - G A T EWAY - N E TZW E R K U N D V E R FA H R E N
Die Erfindung betrifft ein Waldbrandfrüherkennungssystem umfassend ein Mesh-Gateway- Netzwerk mit einem Netzwerk-Server, mehreren ersten Gateways und mehreren Endgeräten, wobei die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät und den Netzwerkserver des Mesh-Gateway-Netzwerks eine Multi-Hop-Verbindung ist und wobei die Multi-Hop-Verbindung zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen aufweist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh- Netzwerk.
Stand der Technik
Systeme zur Früherkennung von Waldbränden sind bekannt. Dazu wird das zu überwachende Areal mittels optischer Sensoren überwacht, die bei einem Waldbrand entstehenden Rauchsäulen erkennen können. Diese Sensoren sind z.B. drehbare Kameras, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass sie in der Nacht weniger effektiv sind und für Fehlerkennungen, z.B. bei Staubwolken in Folge landwirtschaftlicher Aktivitäten, anfällig sind. Zudem können optische Systeme den Waldbrand in der Regel erst erkennen, wenn der Waldbrand bereits fortgeschritten ist und die Rauchsäulen über größere Distanzen sichtbar werden. Eine Überwachung mittels einer in einem Satelliten verbauter IR-Kamera aus einem hohen Orbit weist den Nachteil auf, dass die Auflösung der Kameras über die großen Distanzen eine Erkennung von Waldbränden in der Frühphase verhindert. Ein Satellit ist außerdem teuer in Anschaffung und Unterhalt, insbesondere beim Start des Satelliten. Eine Überwachung durch Minisatelliten in einem niedrigen Orbit weist den Nachteil auf, dass die Satelliten nicht geostationär sind, für einen Umlauf also eine gewisse Zeit benötigen, in der das Areal nicht überwacht wird. Für eine engmaschige Überwachung wird eine große Mehrzahl von Satelliten benötigt, deren Start ebenfalls kostenintensiv ist. Eine Überwachung durch Satelliten ist außerdem während des Starts mit einem hohen Kohlendioxid-Ausstoß verbunden. Sinnvoller ist eine Überwachung des Areals mittels einer Mehrzahl preiswerter, in Serie herstellbarer Sensoren, die mittels optischer Rauchdetektion und/oder Gasdetektion arbeiten. Die Sensoren werden im Areal verteilt angeordnet und liefern über Funkverbindung Daten an eine Basisstation.
Ein derartiges System zur Früherkennung von Waldbränden wird in der Schrift US 2008/0309502 A1 vorgestellt. Dabei wird liefert ein Sensor bei Feueralarm Informationen an ein nahegelegenes Control-Terminal, das dann einen Alarm mittels eines Langreichweiten-Funkfrequenz-Signals auslöst.
Dieses System weist den Nachteil auf, dass das Control-Terminal den Alarm auslöst und dazu über eine leistungsfähige RF-Einheit verfügen muss. Die Sensoren benötigen eine GPS-Einheit, die ständig ein Signal an das Control-Terminal sendet, der Stromverbrauch der Sensoren ist daher hoch, die Lebensdauer der Energiequellen (Batterien) der Sensoren begrenzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Waldbrandfrüherkennungssystem bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet, beliebig erweiterbar und kostengünstig in Installation und Unterhalt ist, sowie eine Erfassung und Vorhersage der Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit eines Waldbrandes ermöglicht. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk bereitzustellen, das zuverlässig arbeitet, beliebig erweiterbar und kostengünstig in Installation und Unterhalt ist.
Die Aufgabe wird mittels eines Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem Mesh- Gateway-Netzwerk gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen dargelegt. Das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem Mesh-Gateway- Netzwerk weist einen Netzwerkserver auf. Der Netzwerkserver verfügt über Schnittstellen zu weiteren Applikationen, mit denen ein Waldbrand analysiert werden kann, z.B. Bestimmung der Ausdehnung, Ausbreitungsrichtung und Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Waldbrandes.
Das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystem weist außerdem eine Mehrzahl erster Gateways auf. Das erste Gateway kommuniziert ausschließlich mit anderen Gateways, Relays und/oder optional auch mit Endgeräten des Mesh-Gateway-Netzwerks direkt.
Das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystem weist außerdem eine Mehrzahl von Relays und von Endgeräten auf. Das Endgerät weist eine Sensorvorrichtung auf, die einen oder eine Mehrzahl Sensoren zur Waldbrandfrüherkennung, z.B. zur Gasanalyse, aufweist. Das Relay steuert die Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway.
Erfindungsgemäß ist die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät und dem Netzwerkserver des Mesh-Gateway-Netzwerks eine Multi-Hop-Verbindung, wobei die Multi-Hop-Verbindung ein oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen aufweist. Bevorzugt ist die kürzeste Verbindung zwischen einem Endgerät des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems und einem Netzwerk-Server eine mindestens 3 Hops umfassende Multi-Hop-Verbindung.
Im Rahmen dieser Schrift sind Endgeräte untereinander gleichartige Elemente, in gleicher Weise sind erste Gateways untereinander gleichartige Elemente. Endgeräte und erste Gateways sind demzufolge untereinander ungleichartige bzw. unterschiedliche Elemente. Weiterhin sind auch Relays untereinander gleichartige Elemente, aber Relays und erste Gateways und/oder Relays und Endgeräte ungleiche bzw. unterschiedliche Elemente. Das Mesh-Gateway-Netzwerk weist demnach Endgeräte und erste Gateways auf, die über keine direkte Single-Hop-Verbindung zu einem Netzwerk-Server verfügen. Die Kommunikation zwischen den Gateways erfolgt durch eine Multi-Hop-Verbindung. Die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät und dem Netzwerkserver weist also mindestens zwei Hops zwischen Endgeräten untereinander und zwei ersten Gateways untereinander.
Ein Relay im Sinne dieser Erfindung ist ein Gerät, das einen Mikrocontroller, ein Funkgerät, eine Antenne und eine Energieversorgung aufweist. Ein Relay kann Signale und/oder Mitteilungen zwischen einem Endgerät oder einem Relay und einem weiteren Relay, einem Gateway und/oder Netzwerk-Server in beide Richtungen (Uplink und Downlink) übertragen. Das Relay ist eine Hardware zur Weiterleitung von Nachrichten von einem Endgerät an das Netzwerk und/oder umgekehrt.
Um Energie zu sparen und mit einer kleiner ausgelegten Stromversorgung auszukommen, stellt das Relay eine Aufweckfunktion bereit, die es gestattet das Relay aus einem Stand- by- und/oder Schlaf-Modus aufzuwecken. Empfängt ein Relay ein Aufwecksignal wird das Aufwecksignal mit einem Antwortsignal an den Sender des Aufwecksignals beantwortet. Der Sender des Aufwecksignals (ein Endgerät, ein anderes Relay oder ein Gateway weiß nun, dass sich das Relay in Empfangsbereitschaft setzt und kann das Signal oder die Mitteilung an das Relay senden. Nach dem Empfand dieses eigentlichen Signals vom Endgerät, Relay oder Gateway und dessen Weiterleitung an ein weiteres Relay, Endgerät oder Gateway, geht das Relay wieder in den Stand-by- und/oder Schlaf-Modus.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Multi-Hop-Verbindung zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen. Beispielsweise ist in einem LoRaWAN Netzwerk eine Kommunikation zwischen gleichartigen Elementen nicht vorgesehen und damit die Reichweite beschränkt. Durch eine Multihop-Kommunikation über mehrere gleichartige Elemente wird diese Beschränkung aufgehoben. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Multi-Hop-Verbindung eine oder mehreren Hops zwischen zwei Relays (R) auf. Die Relays können derart gesteuert werden, dass sie nicht zu jeder Zeit im Empfangsmodus sein müssen, wie beispielsweise die Gateways. Dadurch verbrauchen sie deutlich weniger Energie und benötigen eine kleiner ausgelegte Energieversorgung, was Kosten spart.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Mesh-Gateway-Netzwerk mehrere zweite Gateways auf. Die zweiten Gateways kommunizieren über eine Internetverbindung mit dem Netzwerk-Server. Die Internetverbindung ist eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung, vorzugsweise mittels eines Standard-Internet-Protokolls.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung stellen die ersten und die zweiten Gateways zueinander unterschiedliche Elemente dar. In einer weiteren optionalen Ausführungsform sind Relays sowohl unterschiedlich zu ersten Gateways als auch zu zweiten Gateways. Das Mesh-Gateway-Netzwerk weist demnach vier zueinander unterschiedliche Elemente auf: Endgeräte, Relays, erste Gateways sowie zweite Gateways.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere Endgeräte. Ein Endgerät ist sowohl mit weiteren Endgeräten als auch mit ersten Gateways über eine Single-Hop-Verbindung verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Relays Endgeräte, die eine Repeater- Funktion und/oder eine Relay-Funktion aufweisen. Damit wird eine Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten erreicht. Eine von einem Endgerät generierte und versandte Mitteilung wird von einem weiteren Endgerät empfangen, ggf. verstärkt und weitergeleitet.
Ein Repeater im Sinne dieser Schrift ist ein elektrischer oder auch optischer Signalverstärker oder -aufbereiter zur Vergrößerung der Reichweite eines Signals. Der Repeater befindet sich in einiger Entfernung zum Sender, empfängt dessen Signale und sendet sie in aufbereiteter Form weiter, wodurch eine größere Distanz überbrückt werden kann. Beim Einsatz digitaler Übertragungsverfahren kann das Signal zusätzlich vom Repeater dekodiert werden, wodurch Signalstörungen (wie Rauschen oder Verzerrungen der Pulsform) entfernt werden. Anschließend wird das Signal wieder neu kodiert, moduliert und weitergesendet. Von einfachen Repeatern wird die übertragene Information nicht beeinflusst, sondern nur das elektrische bzw. optische Signal aufbereitet. Dagegen können höher entwickelte digitale Repeater dem Signal z. B. eine Kennung hinzufügen, die bei mehreren möglichen Pfaden die Rückverfolgbarkeit des Signalweges ermöglicht.
In einerweiteren Ausbildung der Erfindung bilden die Endgeräte miteinander ein Endgeräte- Mesh-Netzwerk. Aufgrund der Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion der Endgeräte werden von einem Endgerät generierte Mitteilungen mittels Multi-Hop- Verbindung zwischen Endgeräten weitergeleitet.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Endgeräte-Mesh-Netzwerk über mehrere Gateways mit dem Netzwerkserver verbunden. Mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten wird eine von einem Endgerät generierte Mitteilung so lange weitergeleitet, bis die Mitteilung von einem Gateway empfangen wird, das mit dem Netzwerkserver verbunden ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst die Verbindung vom Endgerät zum Netzwerkserver weniger Gateways, als mit dem Endgeräte-Mesh-Netzwerk verbunden sind. Die Multi-Hop-Verbindung Endgerät-Netzwerkserver zum Versand von Mitteilungen eines Endgeräts zum Netzwerkserver ist derart gewählt, dass sie die kürzeste Verbindung ist, also ein Minimum an Hops aufweist. Damit wird der Datentransfer auf ein Minimum reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere erste und/oder zweite Gateways. Ein Gateway ist sowohl mit ersten Gateways als auch mit zweiten Gateways über eine Single-Hop-Verbindung verbunden. In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weisen die Gateways eine Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion auf. Damit wird eine Multi-Hop-Verbindung zwischen Gateways erreicht. Eine von einem Gateway empfangene Mitteilung wird von einem weiteren Gateway empfangen, ggf. verstärkt und weitergeleitet.
In einerweiteren Ausbildung der Erfindung bilden die ersten Gateways und/oder die zweiten Gateways miteinander ein Gateway-Mesh-Netzwerk. Aufgrund der Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion der Gateways werden von einem Gateway empfangene Mitteilungen mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Gateways weitergeleitet.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Mesh-Gateway-Netzwerk ein LPWAN. LPWAN beschreibt eine Klasse von Netzwerkprotokollen zur Verbindung von Niedrigenergiegeräten wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Netzwerk-Server. Das Protokoll ist so ausgelegt, dass eine große Reichweite und ein niedriger Energieverbrauch der Endgeräte bei niedrigen Betriebskosten erreicht werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Mesh-Gateway-Netzwerk ein LoRaWAN-Mesh- Gateway-Netzwerk. LoRaWAN kommt mit besonders geringem Energieverbrauch aus. Die LoRaWAN-Netzwerke setzen eine sternförmige Architektur mittels ersten und zweiten Gateways-Nachrichtenpakete zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerk- Server um. Die zweiten Gateways sind an den Netzwerk-Server angebunden, während die Endgeräte per Funk über LoRa mit einem ersten Gateway kommunizieren.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung verfügt das zweite Gateway über eine Kommunikationsschnittstelle, die eine Internetverbindung mit dem Netzwerk-Server bereitstellt. Die Internetverbindung ist eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung, vorzugsweise mittels eines Standard-Internet-Protokolls. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weisen die Endgeräte, Relays und/oder die ersten Gateways eine autarke Energieversorgung auf. Um die Endgeräte sowie die mit ihnen verbundenen Relays und/oder ersten Gateways auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, sind die Endgeräte, Relays und die ersten Gateways mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet. Die Energieversorgung kann z.B. durch Energiespeicher - auch wiederaufladbar - erfolgen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die autarke Energieversorgung einen Energiespeicher und/oder eine Energiekonversionsvorrichtung auf. Insbesondere ist die Energieversorgung mittels Solarzellen zu nennen, bei denen eine Energiekonversion Lichtelektrischer Energie erfolgt. Die elektrische Energie wird üblicherweise in einem Energiespeicher gespeichert, um die Energieversorgung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung (z.B. in der Nacht) sicherzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Endgeräte und die ersten Gateways off-grid betrieben. Aufgrund der autarken Energieversorgung von Endgeräten, Relays und ersten Gateways sind diese Geräte ohne ein Versorgungsnetz autonom betreibbar. Daher können Endgeräte, Relays und erste Gateways insbesondere in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung sind die ersten Gateways des Mesh-Gateway- Netzwerks Frontend-Gateways und/oder das zweite Gateway ein Grenz-Gateway. Die Aufteilung der Gateways in Front- End-Gateways und Grenz-Gateways erweitert die Reichweite des LoRaWAN-Netzwerks erheblich, wobei weiterhin Standard-LoRaWAN- kompatible Endgeräte zum Einsatz kommen können, die weit in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden können. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verfügt das erste Gateway über eine erste Frontend-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Endgerät und einer zweiten Frontend-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway und/oder einem zweiten Gateway. Das erste Gateway ist als Knotenpunkt also dazu geeignet, sowohl mit einem Endgerät über Single-Hop- Verbindung (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation oder Frequenzmodulation) als auch mit einem Gateway über Single-Hop- oder bevorzugt Multi-Hop-Verbindung als vermaschtes Multi-Hop-Funknetzwerk zu kommunizieren. Beide Verbindungen benutzen unterschiedliche Protokolle und benötigen daher unterschiedliche Schnittstellen.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist jedes erste Gateway zur drahtlosen Punkt- zu-Punkt-Kommunikation mit einer Vielzahl von Endgeraten unter Verwendung von Single- Hop LoRa- oder FSK-Funk unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls geeignet. Daher ist eine vollständige Kompatibilität mit handelsüblichen LoRa-Endgeräten gegeben. Das erste Gateway kommuniziert mit dem Endgerät über Standard LoRaWAN-Funkprotokoll bzw. über Standard-LoRa-Funkverbindung. Es muss daher nicht modifiziert werden, um die Vorteile des Mesh-Netzwerkes zu nutzen. Die Mesh-Architektur ist sozusagen „transparent“ für das Endgerät.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen zumindest einzelne erste Gateways keine direkte IP-Verbindung auf. Mesh-Gateways bestehen aus einer Kombination der ersten Gateways und der zweiten Gateways. Die Mesh-Gateways unterhalten sich mittels Multi-Hop-Funknetzwerk untereinander, und mindestens ein Mesh-Gateway ist über das Standard-Internetprotokoll mit dem Netzwerk-Server verbunden.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist das zweite Gateway zur Kommunikation mittels einer Standard-IP-Verbindung und unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls mit dem Netzwerk-Server vorgesehen. Mindestens eines der ersten Gateways kommuniziert direkt mit einem zweiten Gateway. Das zweite Gateway sendet die Daten eines Endgerätes direkt mittels eines Internetprotokolls an den Netzwerk-Server. Diese Art der Kommunikation und Aufteilung der Gateways in zwei Arten von Gateways erweitern das LoRaWAN-Netzwerk erheblich, wobei weiterhin Standard LoRaWAN-kompatible Endgeräte zum Einsatz kommen können, die weit in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden können. Diese Endgeräte sind beliebige, handelsübliche Geräte, die nicht angepasst werden müssen, um die Vorteile des Mesh Netzwerkes zu verwenden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung verfügt das zweite Gateway über eine erste Grenz-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerk- Server und eine zweite Grenz-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway. Das zweite Gateway ist also geeignet, mit einem weiteren Gateway über Single-Hop- oder bevorzugt Multi-Hop-Verbindung als vermaschtes Multi- Hop-Funknetzwerk zu kommunizieren. Mit dem Netzwerk-Server kann über eine Standard- Internet-Verbindung drahtlos oder drahtgebunden kommuniziert werden. Beide Verbindungen benutzen unterschiedliche Protokolle und benötigen daher unterschiedliche Schnittstellen.
Die Aufgabe wird ebenfalls mittels des Verfahrens zur Kommunikation in einem Mesh- Netzwerk mit einem Netzwerkserver, mehreren ersten Gateways und mehreren Endgeräten eines Waldbrandfrüherkennungssystems gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation in einem Mesh- Netzwerk mit einem Netzwerkserver, mehreren Relays, einem ersten Gateway und mehreren Endgeräten eines Waldbrandfrüherkennungssystems wird ein Signal von einem Endgerät zu einem Netzwerkserver oder von einem Netzwerkserver zu einem Endgerät über eine Kommunikationsverbindung gesendet. Erfindungsgemäß erfolgt die Kommunikation über eine Multi-Hop-Verbindung mit einem oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen. Im Rahmen dieser Schrift sind alle Endgeräte untereinander gleichartige Elemente, in gleicher Weise sind alle ersten Gateways untereinander gleichartige Elemente. Auch alle Relays sind gleichartige Elemente. Demgegenüber sind Relays und Endgeräte oder erste Gateways und Relays und erste Gateways sind untereinander ungleichartige Elemente.
Das Mesh-Gateway-Netzwerk weist demnach Endgeräte und erste Gateways auf, die über keine direkte Single-Hop-Verbindung zu einem Netzwerk-Server verfügen. Die Kommunikation zwischen den Gateways erfolgt durch eine Multi-Hop-Verbindung. Die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät und dem Netzwerkserver weist also mindestens einen Hop zwischen Endgeräten untereinander und einem ersten Gateway untereinander.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Kommunikation über eine Multi-Hop- Verbindung mit zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen. Beispielsweise ist in einem LoRaWAN Netzwerk eine Kommunikation zwischen gleichartigen Elementen nicht vorgesehen und damit die Reichweite beschränkt. Durch eine Multihop-Kommunikation über mehrere gleichartige Elemente wird diese Beschränkung aufgehoben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Multi-Hop-Verbindung mit einem oder mehreren Hops zwischen zwei Relays (R). Die Relays können derart gesteuert werden, dass sie nicht zu jeder Zeit im Empfangsmodus sein müssen, wie beispielsweise die Gateways. Dadurch verbrauchen sie deutlich weniger Energie und benötigen eine kleiner ausgelegte Energieversorgung, was Kosten spart.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Multi-Hop-Verbindung mit zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen die kürzeste Verbindung zwischen dem Endgerät und dem Netzwerkserver. Bevorzugt ist die kürzeste Verbindung zwischen einem Endgerät des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems und einem Netzwerk-Server eine mindestens 4 Hops umfassende Multi-Hop-Verbindung. Die Multi-Hop-Verbindung Endgerät-Netzwerkserver zum Versand von Mitteilungen eines Endgeräts zum Netzwerkserver ist derart gewählt, dass sie die kürzeste Verbindung ist, also ein Minimum an Hops aufweist. Damit wird der Datentransfer auf ein Minimum reduziert.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist das Mesh-Netzwerk mehrere zweite Gateways auf und die Kommunikation erfolgt über die ersten und die zweiten Gateways. Ein Gateway ist sowohl mit ersten Gateways als auch mit zweiten Gateways über eine Single-Hop-Verbindung verbunden. Die zweiten Gateways kommunizieren über eine Internetverbindung mit dem Netzwerk-Server.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung stellen die Relays, die ersten und die zweiten Gateways zueinander unterschiedliche Elemente dar. Das Mesh-Gateway-Netzwerk weist demnach drei zueinander unterschiedliche Elemente auf: Endgeräte, erste Gateways sowie zweite Gateways.
In einerweiteren Ausführung der Erfindung erfolgt die Kommunikation über eine Multi-Hop- Verbindung, wobei die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere Endgeräte umfasst. Ein Endgerät ist sowohl mit weiteren Endgeräten als auch mit ersten Gateways über eine Single-Hop-Verbindung verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung führen die Endgeräte eine Repeater- Funktion und/oder eine Relay-Funktion aus. Damit wird eine Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten erreicht. Eine von einem Endgerät generierte und versandte Mitteilung wird von einem weiteren Endgerät empfangen, ggf. verstärkt und weitergeleitet.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt die Kommunikation über ein Endgeräte- Mesh-Netzwerk, wobei das Endgeräte-Mesh-Netzwerk durch miteinander verbundene Endgeräte gebildet wird. Aufgrund der Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion der Endgeräte werden von einem Endgerät generierte Mitteilungen mittels Multi-Hop- Verbindung zwischen Endgeräten weitergeleitet. In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Kommunikation vom Endgeräte-Mesh- Netzwerk über mehrere Gateways mit dem Netzwerkserver. Mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten wird eine von einem Endgerät generierte Mitteilung so lange weitergeleitet, bis die Mitteilung von einem Gateway empfangen wird, das mit dem Netzwerkserver verbunden ist.
In einerweiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt die Kommunikation über eine Verbindung zum Netzwerkserver, die weniger Gateways umfasst als mit dem Endgeräte-Mesh- Netzwerk verbunden sind. Die Multi-Hop-Verbindung Endgerät-Netzwerkserver zum Versand von Mitteilungen eines Endgeräts zum Netzwerkserver ist derart gewählt, dass sie die kürzeste Verbindung ist, also ein Minimum an Hops aufweist. Damit wird der Datentransfer auf ein Minimum reduziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Kommunikation über eine Multi-Hop- Verbindung, wobei die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere erste und/oder zweite Gateways umfasst. Ein Gateway ist sowohl mit ersten Gateways als auch mit zweiten Gateways über eine Single-Hop-Verbindung verbunden.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weisen die Gateways eine Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion auf. Damit wird eine Multi-Hop-Verbindung zwischen Gateways erreicht. Eine von einem Gateway empfangene Mitteilung wird von einem weiteren Gateway empfangen, ggf. verstärkt und weitergeleitet.
In einerweiteren Ausbildung der Erfindung bilden die ersten Gateways und/oder die zweiten Gateways miteinander ein Gateway-Mesh-Netzwerk. Aufgrund der Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion der Gateways werden von einem Gateway empfangene Mitteilungen mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Gateways weitergeleitet. In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Mesh-Gateway-Netzwerk des Waldbrandfrüherkennungssystems ein LPWAN. LPWAN beschreibt eine Klasse von Netzwerkprotokollen zur Verbindung von Niedrigenergiegeräten wie batteriebetriebene Sensoren mit einem Netzwerk-Server. Das Protokoll ist so ausgelegt, dass eine große Reichweite und ein niedriger Energieverbrauch der Endgeräte bei niedrigen Betriebskosten erreicht werden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Mesh-Gateway-Netzwerk ein LoRaWAN- Mesh-Gateway-Netzwerk. LoRaWAN kommt mit besonders geringem Energieverbrauch aus. Die LoRaWAN-Netzwerke setzen eine sternförmige Architektur mittels ersten und zweiten Gateways-Nachrichtenpakete zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerk-Server um. Die zweiten Gateways sind an den Netzwerk-Server angebunden, während die Endgeräte per Funk über LoRa mit einem ersten Gateway kommunizieren.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung erfolgt der Versand der Mitteilung vom Endgerät an das erste Gateway über eine Multi-Hop-Verbindung. Mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten wird eine von einem Endgerät generierte Mitteilung so lange weitergeleitet, bis die Mitteilung von einem Gateway empfangen wird, das mit dem Netzwerkserver verbunden ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung leitet ein Endgerät die Mitteilung an ein zweites Endgerät weiter. Mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten wird eine von einem Endgerät generierte Mitteilung so lange weitergeleitet, bis die Mitteilung von einem Gateway empfangen wird, das mit dem Netzwerkserver verbunden ist.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt die Weiterleitung von Endgerät zu Endgerät über eine Multi-Hop-Verbindung. Mittels Multi-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten wird eine von einem Endgerät generierte Mitteilung so lange weitergeleitet, bis die Mitteilung von einem Gateway empfangen wird, das mit dem Netzwerkserver verbunden ist. Insbesondere umfasst die Multi-Hop-Verbindung mindestens 2 Hops. In einer weiteren Ausführung der Erfindung leitet das erste Gateway die Mitteilung an ein zweites Gateway und/oder an den Netzwerkserver weiter. Eine von einem Gateway empfangene Mitteilung wird von einem weiteren Gateway empfangen, ggf. verstärkt und weitergeleitet. Die Multi-Hop-Verbindung mindestens 2 Hops zwischen zwei Gateways.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver sowie ersten und zweiten Gateways
Fig. 1b Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, Relays, einem Netzwerkserver sowie ersten und zweiten Gateways
Fig. 1c: Detailansicht eines Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem LoRaWAN- Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, Relays, einem Netzwerkserver sowie ersten und zweiten Gateways
Fig. 2a Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem Endgeräte-Mesh-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver sowie Grenz-Gateways
Fig. 2b Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem Endgeräte-Mesh-Netzwerk mit Endgeräten, Relays, einem Netzwerkserver sowie Grenz-Gateways
Fig. 3 Waldbrandfrüherkennungssystem mit einem Gateway-Mesh-Netzwerk mit einem Netzwerkserver sowie ersten Gateways und Grenz-Gateways Fig. 4 Detailansicht eines Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem Gateway-Mesh- Netzwerk mit einem Netzwerkserver sowie Front-End- und Grenz-Gateways
Fig. 5a Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem Endgeräte-Mesh-Netzwerk und einem Gateway-Mesh-Netzwerk
Fig. 5b Waldbrandfrüherkennungssystems mit Relays, einem Endgeräte-Mesh-Netzwerk und einem Gateway-Mesh-Netzwerk
Fig. 6a Detailansicht eines Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem LoRaWAN- Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver sowie ersten und zweiten Gateways
Fig. 6b Detailansicht eines Waldbrandfrüherkennungssystems mit einem LoRaWAN- Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, Relays, einem Netzwerkserver sowie ersten und zweiten Gateways
Fig. 7a Verbindungen in einem Standard-LoRa-Funknetzwerk
Fig. 7b Verbindungen in einem Standard-LoRa-Funknetzwerk mit Relays
Fig. 8a Verbindungen im LoRaWAN-Netzwerk, aufweisend ein Endgeräte-Mesh- Netzwerk und ein Gateway-Mesh-Netzwerk
Fig. 8b Verbindungen im LoRaWAN-Netzwerk, aufweisend Relays, ein Endgeräte-Mesh- Netzwerk und ein Gateway-Mesh-Netzwerk
Fig. 9a Verbindungen im erfindungsgemäßen LoRaWAN-Netzwerk
Fig. 9b Verbindungen im erfindungsgemäßen LoRaWAN-Netzwerk mit Relays
Figur 1a zeigt ein erfindungsgemäßes Waldbrandfrüherkennungssystem 1 angeordnet in dem zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 1 weist eine Mehrzahl von Endgeräten ED auf. Ein einzelnes Endgerät ED verfügt zur Erkennung eines Waldbrandes über eine Sensoreinheit, die Sensoren z.B. zur Ermittlung der Luftfeuchte, des Luftdrucks und einen Temperatursensor aufweist. Optional oder zusätzlich verfügt ein Endgerät ED über Sensoren zur Gasanalyse und zur Erfassung der vorherrschenden Windrichtung, mit denen Zusammensetzung und Konzentration von Gasen sowie deren Ausbreitungsrichtung ermittelt wird. Um das Endgerät ED auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, ist ein Endgerät ED mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet. Die Energieversorgung ist im einfachsten Fall eine Batterie, die auch wiederaufladbar gestaltet sein kann. Möglich ist aber auch der Einsatz von Kondensatoren, z.B. Superkondensatoren. Etwas aufwändiger und kostenintensiver, aber eine sehr lange Lebensdauer des Endgerätes ED bietende Energieversorgung ist der Einsatz von Solarzellen.
Das Endgerät ED weist außerdem eine Kommunikationsschnittstelle sowie eine erste Steuervorrichtung und eine Auswertevorrichtung auf. Die Kommunikationsschnittstelle des Endgerätes ED steht mit Kommunikationsschnittstellen der Gateways Gn kabellos in Verbindung. Die erste Steuervorrichtung ist mit der Kommunikationsschnittstelle und der Sensorvorrichtung verbunden und steuert diese an.
Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist ein Mesh-Gateway-Netzwerk 1 auf, das die Technologie eines LoRaWAN-Netzwerks nutzt. Das LoRaWAN-Netzwerk weist eine sternförmige Architektur auf, in der mittels Gateways Nachrichtenpakete zwischen den Sensoren ED und einem zentralen Netzwerk-Server NS ausgetauscht werden. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Vielzahl von Endgeräten ED auf, die über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit Gateways G1 , G2 verbunden sind. Die ersten Gateways G1 sind üblicherweise Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander verbunden sowie teilweise mit Grenz-Gateways BGD. Die Grenz- Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS verbunden, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS benötigt. Dadurch wird eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN-Netzwerken erreicht, indem ein Multi-Hop- Netzwerk mittels Frontend-Gateways FGD zwischengeschaltet ist und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation erreicht.
Figur 1b zeigt ein erfindungsgemäßes Waldbrandfrüherkennungssystem 1 angeordnet in dem zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 1 weist eine Mehrzahl von Relays R auf. Ein einzelnes Relay R verfügt über eine Kommunikationseinrichtung zum Empfang und Versand von Signalen, Daten und Mitteilungen. Optional kann ein Relay R mit Endgeräte-Funktionalität zur Erkennung eines Waldbrandes über eine Sensoreinheit, die Sensoren z.B. zur Ermittlung der Luftfeuchte, des Luftdrucks und einen Temperatursensor aufweist. Optional oder zusätzlich verfügt ein Relay R mit Endgeräte-Funktionalität über Sensoren zur Gasanalyse und zur Erfassung der vorherrschenden Windrichtung, mit denen Zusammensetzung und Konzentration von Gasen sowie deren Ausbreitungsrichtung ermittelt wird. Das Relay weist außerdem eine erste Steuervorrichtung und eine Auswertevorrichtung auf. Die erste Steuervorrichtung ist mit der Kommunikationsschnittstelle und der Sensorvorrichtung verbunden und steuert diese an.
Um das Relay R auch in unwirtlichen und insbesondere ruralen Gegenden fernab von Energieversorgung installieren und betreiben zu können, ist ein Relay R mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet. Die Energieversorgung ist im einfachsten Fall eine Batterie, die auch wiederaufladbar gestaltet sein kann. Möglich ist aber auch der Einsatz von Kondensatoren, z.B. Superkondensatoren. Etwas aufwändiger und kostenintensiver, aber eine sehr lange Lebensdauer des Relays R bietende Energieversorgung ist der Einsatz von Solarzellen.
Das Relay weist außerdem eine Kommunikationsschnittstelle sowie eine erste Steuervorrichtung auf. Die Kommunikationsschnittstelle des Relays R steht mit Kommunikationsschnittstellen weiterer Relays R, Endgeräten ED und/oder der Gateways Gn kabellos in Verbindung. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist ein Mesh-Gateway-Netzwerk 1 auf, das die Technologie eines LoRaWAN-Netzwerks nutzt. Das LoRaWAN-Netzwerk weist eine sternförmige Architektur auf, in der mittels Relays R und/oder Gateways Gn Nachrichtenpakete zwischen den Sensoren der Endgeräte ED und einem zentralen Netzwerk-Server NS ausgetauscht werden. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Vielzahl von Endgeräten ED auf, die über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit Relays R und/oder Gateways G1 , G2 verbunden sind. Die Relays R sind mit weiteren Endgeräten ED, weiteren Relays R und/oder Gatewas Gn über Single-Hop Verbindungen verbunden. Untereinander sind die Relays R mit weiteren Relays R auch über Multi-Hop-Verbindungen verbunden. Die ersten Gateways G1 sind üblicherweise Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander verbunden sowie teilweise mit Grenz- Gateways BGD. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS verbunden, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS benötigt. Dadurch wird eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN-Netzwerken erreicht, indem ein Multi-Hop- Netzwerk mittels Frontend-Gateways FGD zwischengeschaltet ist und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation erreicht.
Fig. 1c zeigt eine Detailansicht des erfindungsgemäßen im zu überwachenden Wald W angeordneten Waldbrandfrüherkennungssystems 10. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Mehrzahl von mit Sensoren bestückten Endgeräten ED auf, wobei jeweils acht Endgeräte ED über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit einem Relay kommunizieren. Die Relays R kommunizieren wiederum ebenfalls über eine Single-Hop- Verbindung mit einem Gateway G1. Die Relays R können aber auch über Single-Hop- und/oder Multi-Hop-Verbindungen untereinander kommunizieren. Die Gateways G1 sind Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander sowie mit Grenz-Gateways BGD verbunden. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet- Netzwerk-Server NS verbunden, und zwar über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Ein Ausführungsbeispiel eines Endgeräte-Mesh-Netzwerks 20 zeigt Fig. 2a. Das Endgeräte-Mesh-Netzwerk 20 weist eine Vielzahl von über den zu überwachenden Wald W verteilt angeordneten Endgeräten ED sowie vier Grenz-Gateways BGD auf. Das Endgeräte-Mesh-Netzwerk 20 ist über die vier Grenz-Gateways BGD mit dem Netzwerk- Server NS verbunden, wobei die Grenz-Gateways BGD mit dem Internet-Netzwerk-Server NS direkt verbunden sind, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Ein Endgerät ED ist mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK mit mindestens einem weiteren Endgerät ED verbunden. Ein Endgerät ED weist dazu eine Kommunikationsschnittstelle auf. Mittels der Kommunikationsschnittstelle werden Mitteilungen des Endgerätes ED, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an mindestens ein weiteres Endgerät ED weitergeleitet.
Die Kommunikationsverbindung von einem Endgerät ED zum Internet-Netzwerk-Server NS verläuft über eine Multi-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät ED, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, und weiteren Endgeräten ED, bis ein Endgerät ED das generierte Signal an ein Grenz-Gateway BGD sendet, vom Grenz- Gateway BGD empfangen und an den Internet-Netzwerk-Server NS gesendet wird. Die Verbindung Endgerät ED - Grenz-Gateway BGD ist ebenfalls drahtlos mittels einer Single- Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation. Die Multi-Hop-Verbindung ist derart, dass mindestens zwei Hops zwischen zwei Endgeräten ED durchgeführt werden. Die Verbindung eines Endgerätes ED zum Netzwerk-Server NS wird in diesem Ausführungsbeispiel über genau ein Grenz-Gateway BGD hergestellt und umfasst daher weniger Gateways BGD als mit dem Endgeräte-Mesh-Netzwerk 20 verbunden sind. Die Multi-Hop-Verbindung eines Endgerätes ED zum Netzwerk-Server NS mit zwei oder mehr Hops zwischen den Endgeräten ED ist vorteilhafterweise derart gewählt, dass sie die kürzeste Multi-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät ED und dem Netzwerk-Server NS ist, m.a.W. die minimale Anzahl von Endgeräten ED zwischen dem Endgerät ED, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, und einem Grenz- Gateway BGD zur Verbindung wird genutzt.
Die Endgeräte ED weisen dazu eine Repeater-Funktion bei drahtgebundenen Verbindungen und/oder eine Relay-Funktion bei Funkverbindungen auf. Dabei wird das auf dem Endgerät ED empfangene Signal weiter versendet und bei Bedarf verstärkt. Dadurch wird eine Übertragung der von einem Endgerät ED generierten Signale über größere Strecken ermöglicht, als mit einer direkten Verbindung möglich wäre. Ebenfalls werden topographische Hindernisse im zu überwachenden Wald W umgangen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Relay-Mesh-Netzwerks 25 zeigt Fig. 2b. Das Relay-Mesh- Netzwerk 25 weist eine Vielzahl von über den zu überwachenden Wald W verteilt angeordneten Endgeräten ED (in Fig. 2b nicht dargestellt), eine Vielzahl von zusammen ein Mesh-Netzwerk bildende Relays R sowie vier Grenz-Gateways BGD auf. Das Relay- Mesh-Netzwerk 25 ist über die vier Grenz-Gateways BGD mit dem Netzwerk-Server NS verbunden, wobei die Grenz-Gateways BGD mit dem Internet-Netzwerk-Server NS direkt verbunden sind, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Ein Relay R ist mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK mit mindestens einem weiteren Relay R sowie einem oder mehreren Endgeräten ED verbunden. Ein Relay R weist dazu eine Kommunikationsschnittstelle auf. Mittels der Kommunikationsschnittstelle werden von einem Endgerät ED oder einem Relay R empfangene Mitteilungen des Relays R, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an mindestens ein weiteres Relay R weitergeleitet.
Die Kommunikationsverbindung von einem Endgerät ED zum Internet-Netzwerk-Server NS verläuft über eine Multi-Hop-Verbindung zwischen dem Relay R, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, und einem oder mehreren weiteren Relays R, bis ein Relay R das generierte Signal an ein Grenz-Gateway BGD sendet, vom Grenz-Gateway BGD empfangen und an den Internet-Netzwerk-Server NS gesendet wird. Die Verbindung Relay R - Grenz-Gateway BGD ist ebenfalls drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation. Die Multi-Hop-Verbindung ist derart, dass mindestens zwei Hops zwischen zwei Relays R durchgeführt werden.
Die Verbindung eines Relays R zum Netzwerk-Server NS wird in diesem Ausführungsbeispiel über genau ein Grenz-Gateway BGD hergestellt und umfasst daher weniger Gateways BGD als mit dem Relay-Mesh-Netzwerk 25 verbunden sind. Die Multi- Hop-Verbindung eines Relays R zum Netzwerk-Server NS mit zwei oder mehr Hops zwischen den Relays R ist vorteilhafterweise derart gewählt, dass sie die kürzeste Multi- Hop-Verbindung zwischen dem Relay R und dem Netzwerk-Server NS ist, m.a.W. die minimale Anzahl von Relays R zwischen dem Endgerät ED, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, und einem Grenz-Gateway BGD zur Verbindung wird genutzt.
Die Relays R weisen dazu eine Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion bei Funkverbindungen auf. Dabei wird das auf dem Relay R empfangene Signal weiter versendet und bei Bedarf verstärkt. In einer optionalen Ausführungsform wird das Signal an einen vorbestimmten oder ausgewählten Empfänger R, BGD versendet. Dieser Empfänger kann ein Relay R und/oder ein (nicht in Fig. 2b dargestelltes) Gateway (Frontend- und/oder Grenz-Gateway BGD) sein. Dadurch wird eine Übertragung der von einem Relay R generierten Signale über größere Strecken ermöglicht, als mit einer direkten Verbindung möglich wäre. Ebenfalls werden topographische Hindernisse im zu überwachenden Wald W umgangen.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gateway-Mesh-Netzwerk 30. Das Gateway- IM es h- Netzwerk 30 weist eine Vielzahl von über den zu überwachenden Wald W verteilt angeordneten ersten Gateways G1 sowie vier Grenz-Gateways BGD auf. Die ersten Gateways G1 sind Frontend-Gateways FGD. Das Gateway-Mesh-Netzwerk 30 ist über die vier Grenz-Gateways BGD mit dem Netzwerk-Server NS verbunden, wobei die Grenz- Gateways BGD mit dem Internet-Netzwerk-Server NS direkt verbunden sind, entweder über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Ein erstes Gateway G1 ist mittels einer Single-Hop-Verbindung MHD direkt mit den direkt benachbart angeordneten ersten Gateways G1 verbunden. Acht erste Gateways G1 sind zusätzlich direkt mit einem der vier Grenz-Gateways BGD verbunden.
Die Verbindung eines ersten Gateways G1 zum Netzwerk-Server NS wird in diesem Ausführungsbeispiel über genau ein Grenz-Gateway BGD hergestellt und umfasst wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel (s. Fig. 3) weniger Gateways BGD als mit dem Gateway-Mesh-Netzwerk 30 verbunden sind. Die Multi-Hop-Verbindung eines ersten Gateways G1 zum Netzwerk-Server NS mit zwei oder mehr Hops zwischen den ersten Gateways G1 ist ebenfalls derart gewählt, dass sie die kürzeste Multi-Hop-Verbindung zwischen einem ersten Gateway G1 und dem Netzwerk-Server NS ist. Die ersten Gateways G1 weisen ebenso eine Repeater-Funktion bei drahtgebundenen Verbindungen und/oder eine Relay-Funktion bei Funkverbindungen auf.
Eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Gateway-Mesh-Netzwerk 30 zeigt Fig.
4. Das Gateway-Mesh-Netzwerk 30 weist eine Vielzahl von über den zu überwachenden Wald W verteilt angeordneten ersten Gateways G1 sowie zwei Grenz-Gateways BGD auf. Das Gateway-Mesh-Netzwerk 30 ist über die beiden Grenz-Gateways BGD mit dem Netzwerk-Server NS verbunden, wobei die Grenz-Gateways BGD mit dem Internet- Netzwerk-Server NS über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP direkt verbunden sind.
Fig. 5a zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystem 1 angeordnet in dem zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 1 weist ein Endgeräte-Mesh-Netzwerks 20 (s. Fig. 2) sowie ein Gateway-Mesh-Netzwerk 30 (s. Fig. 3) auf, die zusammen das Mesh-Gateway- Netzwerk 1 bilden. Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS aufweist.
Ein Endgerät ED ist mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK mit mindestens einem weiteren Endgerät ED verbunden. Mitteilungen, z.B. Messdaten, werden vom Endgerät ED als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an mindestens ein weiteres Endgerät ED weiter geleitet.
Die Kommunikationsverbindung von einem Endgerät ED zum Internet-Netzwerk-Server NS verläuft über eine Multi-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät ED, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, an ein Front-End-Gateway FGD versendet und von dem Front- End-Gateway FGD empfangen. Das Signal wird dann zu einem oder weiteren Front- End-Gateway FGD gesendet, von ihm empfangen und zu einem Grenz-Gateway BGD weitergeleitet, von dem das Signal zum Internet- Netzwerk- Server NS weitergeleitet wird.
Ein erstes Gateway G1 weist dazu eine erste Frontend-Gateway-
Kommunikationsschnittstelle auf. Mittels der erste Frontend-Gateway- Kommunikationsschnittstelle werden Mitteilungen des Endgerätes ED empfangen und weitergeleitet. Ein erstes Gateway G1 weist außerdem eine weitere zweite Frontend- Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway G1 und/oder einem zweiten Gateway G2 auf. Ein zweites Gateway G2 weist ebenfalls eine zweite Grenz-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway G1 auf, sowie eine erste Grenz-Gateway- Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerk-Server. Erste G1 und zweite Gateways G2 weisen wie die Endgeräte ED jeweils eine autarke Energieversorgung auf.
Fig. 5b zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystem 1 angeordnet in dem zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 1 weist ein Relay-Mesh-Netzwerks 25 (s. Fig. 2b) sowie ein Gateway-Mesh-Netzwerk 30 (s. Fig. 3) auf, die zusammen das Mesh-Gateway- Netzwerk 1 bilden. Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS aufweist.
Ein Endgerät ED (in Fig. 5b nicht dargestellt) ist mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK mit mindestens einem Relay R verbunden. Ein Relay R ist über eine Single-Hop- Verbindung FSK mit mindestens einem weiteren Relay R und über eine Multi-Hop- Verbindung mit mindestens einem weiteren Relay R verbunden. Mitteilungen, z.B. Messdaten von einem Endgerät ED, werden vom Relay R als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung und/oder eine Multi-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an mindestens ein weiteres Relay R weitergeleitet.
Die Kommunikationsverbindung von einem Endgerät ED zum Internet-Netzwerk-Server NS verläuft über eine Multi-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät ED, das ein Signal zur Weiterleitung an den Internet-Netzwerk-Server NS generiert, an ein Relay R versendet und von dem Relay R empfangen. Das Signal wird dann zu einem oder weiteren Relays R gesendet, von diesen empfangen und über ein erstes Gateway G1 zu einem Grenz- Gateway BGD weitergeleitet, von dem das Signal zum Internet-Netzwerk-Server NS weitergeleitet wird.
Ein Relay R weist dazu eine Kommunikationsschnittstelle auf. Mittels der Kommunikationsschnittstelle werden von einem Endgerät ED oder einem Relay R empfangene Mitteilungen des Relays R, insbesondere Messdaten, als Datenpaket drahtlos mittels einer Single-Hop-Verbindung FSK über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder Frequenzmodulation an mindestens ein weiteres Relay R weitergeleitet. Ein erstes Gateway G1 weist dazu eine erste Frontend- Gateway-Kommunikationsschnittstelle auf. Mittels der erste Frontend-Gateway- Kommunikationsschnittstelle werden Mitteilungen des Endgerätes ED empfangen und weitergeleitet. Ein erstes Gateway G1 weist außerdem eine weitere zweite Frontend- Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway G1 und/oder einem zweiten Gateway G2 auf. Ein zweites Gateway G2 weist ebenfalls eine zweite Grenz-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway G1 auf, sowie eine erste Grenz-Gateway- Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerk-Server. Erste G1 und zweite Gateways G2 weisen wie die Endgeräte ED jeweils eine autarke Energieversorgung auf.
Eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems 10 zeigt Fig. 6a, angeordnet im zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Mehrzahl von mit Sensoren bestückten Endgeräten ED auf, wobei jeweils acht Endgeräte ED über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit einem Gateway G1 kommunizieren. Die Gateways G1 sind Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander sowie mit Grenz-Gateways BGD verbunden. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS verbunden, und zwar über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Waldbrandfrüherkennungssystems 10 zeigt Fig. 6b, angeordnet im zu überwachenden Wald W. Das Waldbrandfrüherkennungssystem 10 weist eine Mehrzahl von mit Sensoren bestückten Endgeräten ED (nicht in Fig. 6b dargestellt) auf, die jeweils mit mindestens einem Relay kommunizieren. Jeweils acht Relays R kommunizieren über eine Single-Hop-Verbindung FSK mit einem Gateway G1. Die Gateways G1 sind Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander sowie mit Grenz-Gateways BGD verbunden. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS verbunden, und zwar über eine drahtgebundene Verbindung WN oder über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP.
Fig. 7a zeigt schematisch eine Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind Front-End-Gateways FGD und Grenz-Gateways BGD in einem Gerät zusammengefasst.
Diese Mesh-Gateways MDGn sind eine Kombination der Front-End-Gateways FGDn und der Grenz-Gateways BGD. Die Mesh-Gateways MDGn unterhalten sich mittels Multi-Hop- Funknetzwerk MHF untereinander und mindestens ein Mesh-Gateway MDG ist über das Standard-Internetprotokoll IP über eine Kabelverbindung WN mit dem Netzwerk-Server NS verbunden.
Das Endgerät EDn muss nicht ein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher nicht ständig aktiv sein. Der Stromverbrauch wird vermindert und die Einsatzdauer der Endgeräte EDn werden somit erhöht. Fig. 7b zeigt schematisch eine Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Front- End-Gateways FGD und ein Grenz-Gateways BGD in einem Gerät zusammengefasst.
Dieses Mesh-Gateway MDG ist eine Kombination der Front-End-Gateways FGDn und der Grenz-Gateways BGD. Die Mesh-Gateways MDGn unterhalten sich mittels Multi-Hop- Funknetzwerk MHF untereinander und mindestens ein Mesh-Gateway MDG ist über das Standard-Internetprotokoll IP über eine Kabelverbindung WN mit dem Netzwerk-Server NS verbunden.
Die Kommunikation von einem Endgerät ED1 , ED2, ED3, EDn erfolgt hier mit Hilfe von Multi-Hop-Verbindungen über mehrere Relays R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7, Rn zu dem Mesh-Gateway MDG und von dem Mesh-Gateway MGD zum Netzwerkserver NS. Optional bilden die Relays R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7, Rn hier ein Mesh-Relay-Netzwerk. Das Endgerät EDn muss nicht ein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher nicht ständig aktiv sein. Der Stromverbrauch wird vermindert und die Einsatzdauer der Endgeräte EDn werden somit erhöht.
Fig. 8a zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. Das Netzwerk 1 weist eine Mehrzahl von Sensoren ED auf, die über eine Single-Hop- Verbindung FSK teilweise miteinander und teilweise mit Frontend-Gateways FGD verbunden sind. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander verbunden sowie teilweise mit Grenz-Gateways BGD. Ein Grenz-Gateway BGD kann auch mit einem Frontend-Gateway FGD zu einer Mesh-Gateway-Vorrichtung MDG in einem Gerät kombiniert sein. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP verbunden. Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS benötigt. Dadurch wird eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN-Netzwerken erreicht, indem ein Multi-Hop- Netzwerk mittels Frontend-Gateways FGD zwischenschaltet ist und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation erreicht.
Fig. 8b zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. Das Netzwerk 1 weist eine Mehrzahl von in Endgeräten ED verbauten Sensoren auf, die über eine Single-Hop-Verbindung FSK teilweise miteinander und teilweise mit Relays R1 , R2, R3, R4, Rn kommunizieren. Die Relays R R1 , R2, R3, R4, Rn kommunizieren teilweise untereinander und teilweise mit Frontend-Gateways FGD. Die Frontend-Gateways FGD sind untereinander verbunden sowie teilweise mit Grenz-Gateways BGD. Ein Grenz- Gateway BGD kann auch mit einem Frontend-Gateway FGD zu einer Mesh-Gateway- Vorrichtung MDG in einem Gerät kombiniert sein. Die Grenz-Gateways BGD sind mit dem Internet-Netzwerk-Server NS über eine drahtlose Verbindung mittels Internetprotokoll IP verbunden.
Die Frontend-Gateways FGD und die Grenz-Gateways BGD sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk MHF verbunden, so dass ein Frontend-Gateway FGD keine direkte Verbindung zum Internet-Netzwerk-Server NS benötigt. Dadurch wird eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN-Netzwerken erreicht, indem ein Multi-Hop- Netzwerk mittels Frontend-Gateways FGD zwischenschaltet ist und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation erreicht.
Fig. 9a zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. Front-End- Gateways FGD und Grenz-Gateways BGD sind in einem Gerät zusammengefasst. Diese Mesh-Gateways MDGn bestehen aus einer Kombination der Front-End-Gateways FGDn und der Grenz-Gateways BGDn. Die Mesh-Gateways MDGn unterhalten sich mittels Multi- Hop-Funknetzwerk MHF untereinander und mindestens ein Mesh-Gateway MDG ist über das Standard-Internetprotokoll IP mit dem Netzwerk-Server NS verbunden. Fig. 9b zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des LoRaWAN-Netzwerks 1 , in das das erfindungsgemäße Waldbrandfrüherkennungssystems 10 integriert ist. Front-End- Gateways FGD und Grenz-Gateways BGD sind in einem Gerät zusammengefasst. Die Relays R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7, Rn unterhalten sich mittels Multi-Hop-Funknetzwerk FSK untereinander und mit mindestens einem Mesh-Gateway MDG, das wiederum über das Standard-Internetprotokoll IP mit dem Netzwerk-Server NS verbunden ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 M es h- Gateway- N etzwe rk
10 Waldbrandfrüherkennungssystem
20 Endgeräte-Netzwerk
25 Relay-Mesh-Netzwerk
30 Gateway-Netzwerk
ED, ED1, ED2, ED3, Endgeräte/Sensoren
ED4, ED5, ED6, ED7, EDn
G1 Erstes Gateway
G2 Zweites Gateway
NS Internet-Netzwerk-Server
IP Internetprotokoll
BGD, BGD1, BGD2, Grenz-Gateways BGDn
FGD, FGD1, FGD2, Front- End-Gateways
FGD3, FGD4, FGDn
MHF Multi-Hop-Funknetzwerk
MGD, MGD1, Mesh-Gateways
MGD2, MGD3,
MGD4, MGD5,
MGD6, MGD7,
MDGn
R, R1, R2, R3, R4, Relay
R5, R6, R7, Rn
FSK Verbindung mittels FSK-Modulation
WN Drahtgebundene Verbindung w Wald

Claims

PA TE N TA N S P R Ü C H E
1. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) umfassend ein Mesh-Gateway-Netzwerk (1) mit
• einem Netzwerk-Server (NS),
• einem ersten Gateway (G1),
• mehreren Relays (R)
• mehreren Endgeräten (ED), dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste Kommunikationsverbindung zwischen einem Endgerät (ED) und dem Netzwerkserver (NS) des Mesh-Gateway-Netzwerks (1) eine Multi-Hop-Verbindung ist, wobei die Multi-Hop-Verbindung einen oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen (ED, G1 , R) aufweist.
2. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen (ED, G1, R) aufweist.
3. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung einen oder mehr Hops zwischen zwei Relays (R) aufweist.
4. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Gateway-Netzwerk (1) mehrere zweite Gateways (G2) aufweist.
5. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Relays (R), die ersten (G1) und/oder die zweiten Gateways (G2) unterschiedliche Elemente darstellen.
6. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere Endgeräte (ED) umfasst.
7. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Relays (R) Endgeräte (ED) sind, die eine Repeater-Funktion und/oder eine Relay-Funktion aufweisen.
8. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeräte (ED) miteinander ein Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) bilden.
9. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) über mehrere Gateways (G1 , G2) mit dem Netzwerkserver (NS) verbunden sind.
10. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung vom Endgerät zum Netzwerkserver (NS) weniger Gateways (G1 , G2) umfasst als mit dem Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) verbunden sind. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung eine Verbindung über mehrere erste (G1) und/oder zweite Gateways (G2) umfasst. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gateways (G1 , G2) eine Repeater- und/oder eine Relay-Funktion aufweisen. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gateways (G1) und/oder die zweiten Gateways (G2) miteinander ein Gateway-Mesh-Netzwerk (30) bilden. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein LPWAN umfasst. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein LoRaWAN umfasst. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gateway (G2) über eine Kommunikationsschnittstelle verfügt, die eine Internetverbindung (IP) mit dem Netzwerk-Server (NS) bereitstellt. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeräte (ED), die Relays (R) und/oder die ersten Gateways (G1) eine autarke Energieversorgung aufweisen. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Energieversorgung einen Energiespeicher und/oder Energiekonversionsvorrichtung umfasst. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeräte (ED) und die ersten Gateways (G1) off-grid betrieben werden. Waldbrandfrüherkennungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gateways (G1) des Mesh-Gateway-Netzwerks (1) Frontend-Gateways (FGD) sind und/oder das zweite Gateway (G2) ein Grenz-Gateway (BGD) ist. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1) über eine erste Frontend-Gateway- Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Endgerät (ED) und einer zweiten Frontend-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway (G1) und/oder einem zweiten Gateway (G2) verfügt.
22. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Gateway (G1) zur drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit einer Vielzahl von Endgeräten (ED) unter Verwendung von Multi-Hop (FSK) LoRa- oder FSK-Funk unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls geeignet ist.
23. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne erste Gateways (G1) keine direkte IP-Verbindung (IP) aufweisen.
24. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gateway (G2) zur Kommunikation mittels einer Standard-IP-Verbindung (IP) und unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls mit dem Netzwerk-Server (NS) vorgesehen ist.
25. Waldbrandfrüherkennungssystem (10) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gateway (G2) über eine erste Grenz-Gateway-
Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerk-Server (NS) und einer zweite Grenz-Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway (G1) verfügt. Verfahren zur Kommunikation in einem M es h- Netzwerk (1) mit einem
Netzwerkserver (NS), mehreren Relays (R), einem ersten Gateway (G1) und mehreren Endgeräten (ED) eines Waldbrandfrüherkennungssystem (10) mit den Schritten
• Senden eines Signals von einem Endgerät (ED) zu einem Netzwerkserver (NS) oder von einem Netzwerkserver (NS) zu einem Endgerät (ED) über eine Kommunikationsverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über eine Multi-Hop-Verbindung mit einem oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen erfolgt.Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung mit zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen die kürzeste Verbindung zwischen dem Endgerät (ED) und dem Netzwerkserver (NS) ist. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über eine Multi-Hop-Verbindung mit zwei oder mehr Hops zwischen gleichartigen Elementen erfolgt Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Multi-Hop-Verbindung einen oder mehr Hops zwischen zwei Relays (R) aufweist. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Netzwerk (1) mehrere zweite Gateways (G2) aufweist und die Kommunikation über die ersten (G1) und die zweiten Gateways (G2) erfolgt. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Relays (R), die ersten (G1) und/oder die zweiten Gateways (G2) unterschiedliche Elemente darstellen. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 31 dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über eine Multi-Hop-Verbindung erfolgt, wobei die Multi-Hop- Verbindung eine Verbindung über mehrere Endgeräte (ED) umfasst. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgeräte (ED) eine Repeater-Funktion und/oder Relay-Funktion ausführen. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über ein Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) erfolgt, wobei das Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) durch miteinander verbundene Endgeräte (ED) gebildet wird. Verfahren zur Kommunikation in einem M es h- Netzwerk (1) nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation vom Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) über mehrere Gateways (G1 , G2) mit dem Netzwerkserver (NS) erfolgt. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über eine Verbindung zum Netzwerkserver (NS) erfolgt, die weniger Gateways (G1 , G2) umfasst als mit dem Endgeräte-Mesh-Netzwerk (20) verbunden sind. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 36 dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über eine Multi-Hop-Verbindung erfolgt, wobei die Multi-Hop- Verbindung eine Verbindung über mehrere erste (G1) und/oder zweite Gateways (G2) umfasst. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateways (G1, G2) eine Repeater- und/oder Relay-Funktion ausführen. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 37 oder
38, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation über ein Gateway- Mesh- Netzwerk (30) erfolgt, wobei die ersten Gateways (G1) und/oder die zweiten Gateways (G2) miteinander das Gateway- Mesh-Netzwerk (30) bilden. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 39 dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein LPWAN umfasst. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 40 dadurch gekennzeichnet, dass das Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein LoRaWAN umfasst. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 41 dadurch gekennzeichnet, dass der Versand der Mitteilung vom Endgerät (ED) an das erste Gateway (G1) über eine Multi-Hop-Verbindung erfolgt. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 42 dadurch gekennzeichnet, dass ein Endgerät (ED) die Mitteilung an ein zweites Endgerät (ED) weiterleitet. Verfahren zur Kommunikation in einem Mesh-Netzwerk (1) nach Anspruch 43 dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterleitung von Endgerät (ED) zu Endgerät (ED) über eine Multi-Hop- Verbindung erfolgt. Verfahren zur Kommunikation in einem M es h- Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 44 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1) die Mitteilung an ein zweites Gateway (G2) und/oder den Netzwerk-Server (NS) weiterleitet.
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