LPWAN-Technologien Ideen für die Smart City mit LoRaWAN praktisch umsetzen

Die Smart City wird vom Bürger nur akzeptiert, wenn sich ihr Leben spürbar verbessert. Zugleich muss die Stadt finanziell gut mit der Neuerung fahren. Der Artikel beschreibt die Anwendungsszenarien und den Aufbau eines LoRaWAN.

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Fragt man die Bürger, warum sie Smart-City-Angebote nutzen würden, lauten die drei wichtigsten Gründe: zur Vereinfachung des Stadtlebens, gefolgt von Zeitersparnis im Alltag und der Schonung der Umwelt. Das ergab eine Umfrage des Markforschungsunternehmens Splendid Research. Tatsächlich lässt sich durch die Digitalisierung unserer Städte viel erreichen.

Eine aktuelle McKinsey-Studie zeigt, dass bessere Mobilitätslösungen wie intelligente Verkehrssteuerung oder Smart Parking die Pendelzeit in Ballungsräumen um 20 Prozent verringern können. Auch die Umweltbelastung lässt sich durch Smart-City-Anwendungen deutlich reduzieren. Bis zu 15 Prozent geringere CO2-Emissionen, 30 Prozent weniger Wasserverbrauch und 20 Prozent weniger Abfall sind machbar. Genau diese und andere Smart-City-Anwendungsszenarien lassen sich mit der Funktechnologie LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) realisieren.

Ein LoRaWAN aufbauen

Ein großer Vorteil von LoRaWAN im Vergleich zu anderen Funktechniken besteht darin, dass sich so ein robustes Funknetz einfach und kostengünstig aufbauen lässt. Bei einer Stadt mittlerer Größe reicht schon eine einzige Basisstation – vorausgesetzt nur der Außenbereich soll versorgt werden. Diese hat eine umso größere Reichweite, je höher sie angebracht ist. Maximal funkt sie in einem Umkreis von 15 Kilometern. Die Basisstation wird an einen Backbone angeschlossen, über den sie mit TCP/IP SSL-verschlüsselt kommuniziert. Dort läuft der Netzwerk-Server, der wiederum mit dem Applikationsserver für Smart-City-Anwendungen verbunden ist.

In einer City App könnten Städte dann zum Beispiel den Status der Straßenbeleuchtung oder die aktuelle Feinstaubbelastung einsehen. Theoretisch kann eine Basisstation Informationen von bis zu 62.000 Sensoren verarbeiten, wenn man davon ausgeht, dass jeder Sensor einmal pro Minute eine Meldung abschickt.

Jedoch gibt es in Deutschland im freien Band den sogenannten Duty Cycle (Tastgrad), der pro Gateway nur ein Prozent Bandnutzung vorschreibt. Dadurch können nur Informationen von circa 1000 Sensoren pro Gateway verwertet werden. Die Anbindung erfolgt über offene Schnittstellen (APIs), sodass es schnell und einfach möglich ist, Sensoren hinzuzufügen. Möchte man das Netz insgesamt vergrößern, lassen sich problemlos weitere Basisstationen ergänzen.

Einzellösungen in ein Gesamtkonzept einbinden

Jede Smart City beginnt mit einem ersten Projekt, auf das weitere folgen. Städte und Gemeinden sollten jedoch darauf achten, dass sie ihre Projekte in ein Gesamtkonzept gießen, damit für den Bürger eine durchgehende Nutzererfahrung und ein erlebbarer Mehrwert entsteht. Entscheidend dafür ist, von Anfang an die übergeordneten Ziele festzulegen und eine gemeinsame Infrastruktur zu schaffen.

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"Niedrigenergie-IoT"

LPWA-Technologien - ein Vergleich

LoRaWAN ist ein Baustein dafür. Ebenso wichtig ist eine zentrale, skalierbare IoT-Plattform, auf der die verschiedenen Akteure ihre Lösungen entwickeln, Daten speichern und Anwendungen betreiben können. Bei der Wahl der Plattform sollten IT-Entscheider darauf achten, dass sie über offene Schnittstellen verfügt, sodass sich auch Systeme anderer Anbieter anbinden lassen. Unter den Voraussetzungen lässt sich eine Plattform, die am besten in der Cloud gehostet wird, um weitere Anwendungen inklusive nötiger Rechenleistung und Speicherkapazität erweitern. Im Einsatz überzeugen bereits LoRaWAN-basierte Lösungen, die sich der Parkplatzsuche, der Müllentsorgung oder Luftverschmutzung widmen – wie der Blick in die Praxis verrät.

Smartes Parken in der Großstadt und auf dem Werksgelände

Bis zu 40 Prozent des Gesamtverkehrs macht in stark belasteten Stadtteilen der Parksuchverkehr aus. Mit einer Smart-Parking-Lösung lässt sich diese Situation deutlich verbessern. Bis zu 20 Prozent weniger verkehrsbedingte Emissionen sind möglich, hat das Beratungsunternehmen Ernst & Young herausgefunden. So funktioniert’s: Sensoren an den Parkplätzen ermitteln, ob ein Parkplatz frei oder belegt ist, und senden diese Information an eine IoT-Plattform.

Autofahrer können sich dann mit einer App auf ihrem Navi oder in ihrem Multimediasystem anzeigen lassen, wo der nächste freie Parkplatz ist, und dorthin navigieren lassen. Über die App lässt sich zudem die Parkgebühr nach tatsächlich verbrauchter Parkdauer minutengenau abrechnen. Auch die digitale Anzeige auf Verkehrsschildern lässt sich anhand der Sensordaten steuern und so an die jeweilige Parksituation anpassen.

Smart Waste bei Glascontainern und im Wertstoffhof

Für Smart Waste werden Müll-Container mit Sensoren ausgestattet, die den Füllstand messen und an eine zentrale IoT-Plattform melden. Entsorgungsbetriebe wissen dadurch genau, wann sie die Container leeren müssen, und können ihre Route entsprechend planen. Statt wie bisher immer dieselbe Strecke abzufahren – egal ob ein Mülleimer nur halb voll ist oder überquillt – sammeln sie den Abfall nach Bedarf ein.

Ein Navigationssystem errechnet die optimale Route, um alle erforderlichen Stationen anzusteuern. Dadurch sparen die Entsorgungsbetriebe Zeit, Kraftstoff und Geld. Von diesem Nutzen profitiert nun die Stadt Heidelberg, die ihre Glascontainer mit Sensoren ausgestattet hat, um die Füllstände zu messen.

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Generell ist es mithilfe von Sensoren in den Abfalleimern noch möglich, zu messen, wie viel Restmüll ein Haushalt produziert. Die Müllgebühren können dann anhand der Abfallmenge berechnet werden.

Einen ganz anderen bürgerfreundlichen Entsorgungsweg will Singen am Hohentwiel fahren, eine Stadt mit 45.000 Einwohnern. Seit Mai 2018 läuft ein Pilotprojekt am dortigen Wertstoffhof. Hierfür hat Energiedienstleister Thüga zusammen mit VINCI Energies eine smarte Lösung entwickelt, die nur eine Basisstation für das LoRaWAN-Netz benötigt: An der Einfahrt messen Sensoren, wie viele Autos bereits warten, und senden die Daten an eine zentrale Plattform. Die Bürger können jetzt in einer App auf ihrem Smartphone sehen, wie lange die Schlange derzeit ist, und ihre Fahrt planen.

Smart City wird nur mit den Bürgern zum Erfolg

Für einen bessere Luft können Städte zum Beispiel Sensoren an stark befahrenen Straßen anbringen, die die Schadstoffbelastung in der Luft messen. Sobald ein kritischer Wert erreicht ist, werden die Autos mithilfe einer intelligenten Ampelschaltung umgeleitet. Smarte Ampeln, deren Schaltung an das Verkehrsaufkommen angepasst ist, tragen außerdem dazu bei, den Verkehrsfluss zu verbessern. So lassen sich Staus in den Städten reduzieren – und damit auch die Emissionen.

LoRaWAN schafft die Voraussetzung dafür, Smart-City-Projekte schnell und kostengünstig umzusetzen. Die Infrastruktur bildet zwar die Basis, um Daten zu sammeln, zu übertragen und auszuwerten. Entscheidend für den Erfolg von Smart-City-Projekten aber ist, wie man mit den Daten einen Mehrwert für die Menschen schafft. Der Bürger sollte immer im Mittelpunkt stehen. Er ist schließlich der Kunde der Smart City. Deshalb ist es wichtig, ihn frühzeitig in den Entwicklungsprozess einzubinden.

Dabei hilft zum Beispiel eine Kommunikationsplattform, auf der die Einwohner einer Stadt Ideen einbringen können. Außerdem ist es empfehlenswert, ein Projekt erst einmal klein zu starten und von den Bürgern testen zu lassen. So erhält man wertvolles Feedback und schafft Akzeptanz.

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