Mittwoch, 1. Dezember 2021

Austausch über Begleitforschung in Smart City-Förderprogrammen

Am Mittwoch, dem 8. Dezember findet von 9.00 bis 10.30 Uhr die 6. Ausgabe unserer interkommunalen Austauschrunde „Smart City, aber mit Strategie“ online statt. Dieses Mal freuen wir uns auf die Inputs und Gespräche mit Univ.-Prof. Dr. Dr. Björn Niehaves (Universität Siegen), Ulf Ries (Cassini Consulting), Jan-Andreas Liebscher (Landeshauptstadt München) und Prof. Dr. Marc Redepenning (Otto-Friedrich-Universität Bamberg).

StartSmart CityLoRaWAN-Projekte und Use Cases

LoRaWAN-Projekte und Use Cases

In jüngster Zeit häufen sich die Berichterstattungen über Stadtwerke, Bauhöfe und Stadtverwaltungen, die mit dem Ausbau ihrer LoRaWAN-Netzwerke beginnen. Oftmals wird dabei der Ausbau dieser Netze als nichts Geringeres als die Schaffung der Basisinfrastruktur für Smart Citys betitelt. Für all jene, die sich bisher noch nicht mit LoRaWAN beschäftigt haben, soll dieser Artikel einen Überblick bieten. Aktualisierungsvorschläge von aktiven LoRaWAN-Nutzer:innen sind willkommen und können gerne hier mitgeteilt werden.

1. LoRaWAN erklärt

LoRaWAN ist ein Netzwerkprotokoll, das heißt eine Vereinbarung über den Ablauf von Datenaustausch zwischen einzelnen Komponenten wie Sensoren, Gateways, Servern in einem Netzwerk. Die Abkürzung LoRaWAN steht für „Long Range Wide Area Network“. Das Netzwerkprotokoll stammt ursprünglich aus der Militär- und Weltraumkommunikation und wird mittlerweile aufgrund seiner zahlreichen Vorteile für die Implementierung des Internets der Dinge (IoT) im industriellen Kontext angewandt:

  • Reichweite bis zu 15 km (abhängig vom Einsatzumfeld), dabei geringer Leistungsverbrauch
  • Kostengünstige Implementierung und sehr geringe laufende Kosten (da geringer Stromverbrauch)
  • Akkulaufzeit bis zu 8 Jahre
  • keine Lizenzgebühren pro versendete Dateneinheit o.ä.
  • Datenraten von 292bps bis 50kbps, 128 AES Verschlüsselung zur Sicherheit
  • Bidirektionale Kommunikation ist möglich

(Haslhofer, 2019 und Przirembel, 2019)

Aufgrund dieser Vorteile gegenüber anderen Funktechnologien wie WLAN, Bluetooth oder Mobilfunk, setzt sich LoRaWAN zunehmend auch im urbanen Kontext durch. Die Funktechnologie bietet mehrere konkrete Anwendungsfälle, um Informationsflüsse in der Stadt besser erfassen und nutzen zu können. Es existieren offene, halboffene und geschlossene LoRaWAN-Netzwerke. Dieses Merkmal hängt vom Anwendungszweck und Betreiber ab.

2. Projekte und Use Cases

Grundsätzlich findet die LoRaWAN-Technologie in jenen Use Cases ihre passable Anwendung, in denen die Übertragung von geringen Datenmengen ausreicht. Wenn also ein Smart City-Use Case ohne Echtzeitanalysen oder der Übertragung von Videos auskommt, so eignet sich LoRaWAN als Funktechnologie zur Übertragung der Datenpakete aufgrund der o.g. Eigenschaften, d.h. primär der Kosten- und Energieeffizienz.⁵ Entsprechende Use Cases mit geringen Datenübertragungsmengen erstrecken sich über zahlreiche Handlungsfelder der Stadtentwicklung und werden im Folgenden kurz vorgestellt werden.

Für die städtische Versorgungs- und Entsorgungswirtschaft ist die automatische Meldung von Füllständen in Abfallbehältern ein beliebter Use Case, denn die damit gewonnenen Informationsgrundlagen ermöglichen eine optimierte Routenplanung für die Abfallwirtschaftsfahrzeuge und damit auch Kosten- und Emissionseinsparungen bei der Müllentleerung. ⁵

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Im Fall von der Stadt Herrenberg erklärt Stefan Kraus, Amtsleiter für Technik, Umwelt, Grün, dass die großräumigen Unterflurbehälter seit Beginn der automatischen Füllstanderfassung nicht mehr alle 14 Tage angefahren werden, sondern bedarfsgerecht geleert werden. Weiterhin kommt das LoRaWAN-Netzwerk in Herrenberg zum Einsatz, um die Daten von Pax Countern zu übertragen. Pax Counter zählen Personen, indem sie Handyverbindungen (Bluetooth, WLAN) registrieren. Über die anonymisierte Registrierung von großen Personenansammlungen im öffentlichen Raum, erfahren die Reinigungskräfte räumlich und zeitlich dynamisch über erhöhte Bedarfe für ihre Dienstleistungen. 7

Bedingt durch die hohe Reichweite und Gebäudedurchdringung eignet sich die Datenübertragung mittels LoRaWAN auch für Messtätigkeiten des Gebäudemanagements wie bspw. die Überprüfung von geschlossenen Türen und Fenstern in öffentlichen Gebäuden oder auch die Fernauslesung von Stromzählern wie es die Stromnetz Hamburg GmbH anwendet. ³

Ein weiterer LoRaWAN-Use Case ist die digitale Parkraumbewirtschaftung. So werden in etwa in Paderborn die gemessenen Daten über die Auslastung von Parkhäusern und mit Bodensensoren ausgestatteten Parkplätzen, per Funk übermittelt, ausgewertet und für das städtische Verkehrsleitungssystem genutzt. 8

Weitere Use Cases für die LoRaWAN-Technologie im urbanen Kontext sind:

  • Überwachung von Fernwärmeschächten in Münster
  • Facility Management in Lübecker Kindertageseinrichtungen
  • Messdaten zur Bodenfeuchte für ein optimiertes Bewässerungsmanagement in Andernach
  • Ermittlung defekter Straßenleuchten 5
  • Gefahrenabwehr: fortlaufende Überprüfung von Starterbatterien in Feuerwehrpumpen auf ihre Funktionstüchtigkeit 9
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3. LoRaWAN-Netze in Deutschland (Auswahl)

Städte

Regionen

  • Für die 39 Städte und Gemeinden des Ludwigsburger Landkreises wird demnächst ein gemeinsames LoRaWAN-Netz eingerichtet.
  • Derzeit baut SWTE Netz ein LoRaWAN-Netz im Versorgungsgebiet der Stadtwerke Tecklenburger Land (NRW) auf. Eingesetzt wird es u.a. zur Überwachung der Strom- und Gasversorgung.
  • Im Rhein-Kreis Neuss wird ein LoRaWAN-Netz aufgebaut. Geplant sind Anwendungsfälle für Wirtschaft, Landwirtschaft und die öffentliche Hand.

4. Entwicklungspotenziale

IoT-Plattformen

Ein technischer Vorteil von LoRaWAN-Netzwerken ist, dass sie Bidirektionalität ermöglichen, das heißt eine Datenübertragung zwischen dem ursprünglichen Sender und ursprünglichen Empfänger kann auch umgekehrt erfolgen. Aus Anwendungssicht bedeutet dies, dass die ursprüngliche Sender-Instanz nicht nur ihre gemessenen Daten mitteilen kann, sondern umgekehrt auch angesteuert werden kann wie es das Beispiel der intelligenten Steuerung der Straßenbeleuchtung illustriert. Die Eigenschaft der Bidirektionalität erweist sich zudem als nützlich, wenn Städte mittels IoT-Plattformen, eine ganzheitliche und integrierte Messung sowie Steuerung von städtischen Abläufen anpeilen. In diesem Zusammenhang ist es allerdings aus Governance-Sicht entscheidend, dass die involvierten Akteure sich jeweils den Zugang zu ihren Gateways gewähren. ² ⁵

Verräumlichung / GIS

In Kombination mit Geoinformationssystemen können die Datenströme der Sensoren räumlich aufbereitet werden. Dies ermöglicht bspw. eine dynamische Kartierung des Gebäude-internen oder städtischen Klimas ebenso wie die Visualisierung des (un)belegten Parkraums oder auch der Netzabdeckung an sich. ¹

Abb. 1 – Netzabdeckungskarte des LoRaWAN-Netzwerkes in Dellbrück, abhängig von Wetter, Topografie u.v.m. (Quelle: Stadt Dellbrück, regio iT) ⁶

Vermietung des LoRaWAN-Netzwerkes

Die Einrichtung des LoRaWAN-Netzes birgt außerdem das Potenzial, die Nutzung dieser Infrastruktur externen Unternehmen sowie Privatpersonen für ihre Anwendungsfälle bereitzustellen. Dies eröffnet den Netzbetreibern, oftmals sind es die lokalen Stadtwerke, Geschäftspotenziale mit der Vermietung der LoRaWAN-Netzinfrastruktur. Im Rhein-Kreis Neuss geschieht die Abwicklung und Bereitstellung dieser Dienstleistung ohne Beteiligung des Kreises. ⁴

Der in Münster ansässige IT-Dienstleister items GmbH arbeitet bereits an technischen Mindestanforderungen, die Netzbetreiber in puncto Sensorik, IT-Sicherheit, Netzabdeckung und weiteren Aspekten erfüllen sollten. Die items GmbH engagiert sich in diesem Zusammenhang, bedingt durch ihre Expertise als IT-Dienstleister für Stadtwerke, auch als Mitbegründerin des themenrelevanten Vereins Civitas Connect für den diesbezüglichen fachlichen Austausch.

5. Weitere Informationen

  • bnNETZE GmbH: Eine ausführliche Erläuterung zur Funktionsweise von LoRaWAN-Netzen inkl. Beschreibung der einzelnen Netzwerkkomponenten findet sich hier.
  • Warum sich LoRaWAN als Basisinfrastruktur für Smart Cities eignet, erklären Armin Przirembel und Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner in diesem Artikel.
  • Items GmbH: Die in Münster ansässige Items GmbH ist ein Full-Service IT-Dienstleister für den Versorgungs- und Mobilitätssektor und widmet sich in ihren Blogposts dem Thema ausführlich.
  • TTN Community: Als offene Community setzt sich die im Jahr 2015 in den Niederlanden gegründete Initiative mittlerweile mit über 140.000 Freiwilligen für den weltweiten Ausbau der LoRaWAN-Infrastruktur ein. Auch in zahlreichen deutschen Städten gibt es aktive Regionalgruppen.
  • Der IoT-Podcast Schirm, Charme und Sensoren – Dein IoT Podcast widmet sich in dieser Folge der Implementierung des LoRaWAN-Netzwerks in der Baden-Württembergischen Stadt Herrenberg und spricht mit dem dortigen Amtsleiter für Technik, Umwelt, Grün Stefan Kraus.
  • Der IT-Dienstleister regio iT und Zenner setzen gemeinsam Smart City-Anwendungen auf Basis von LoRaWAN-Netzen für Kommunen (z.B. Aachen, Dellbrück) um.

Nachweise

  • Haslhofer, F. (2019). Endlich verständlich: LoRa (und LoRaWAN) einfach erklärt!: https://www.linemetrics.com/de/blog/lora-und-lorawan-einfach-erklaert/ Abgerufen 4. November 2019, von LineMetrics | Plug & Play Monitoring website

¹ GISA informiert über LoRaWAN (2020)
² Gemeinsam für LoRaWAN (2021)
³ Kooperation zum Aufbau des LoRaWAN-Netzes (2019)
Neues Funknetz wird im Rhein-Kreis Neuss aufgebaut (2021)
LoRaWAN: Einfach erklärt mit Anwendungen und Beispielen (2021)
Konzept zum Aufbau eines nachhaltigen IoT-Netzes für die Stadt Delbrück unter Berücksichtigung der Übertragbarkeit auf andere Kommunen (2019)
7 ECBM Podcast mit Stefan Kraus: LoRaWAN + IoT Smart City Herrenberg (2020)
8 Digital ganz weit vorn: Stadt Paderborn und Westfalen Weser bauen ein LoRaWAN-Netz für Paderborn auf (2020)
9 14. Treffen der Berliner LoRaWAN und TTN-Community (2021)

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Beitrag

Dimitri Ravin
Dimitri Ravin befasst sich seit dem Jahr 2017 als Initiator von urban-digital.de mit dem Einfluss der Digitalisierung auf Städte. Parallel ist er mit Beratungs- und Vortragstätigkeiten i. Z. m. Smart City Projekten und Strategien tätig. Davor untersuchte er am Institut für den öffentlichen Sektor (KPMG) die Smart City-Strategien deutscher Großstädte und war als Projektassistenz für digitale Projekte bei der Stadt Dortmund angestellt. Mehr Informationen und Kontaktdaten →

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