LoRaWAN Anwendungen im Bereich Smart City

Mit dem Konzept von Smart Home («intelligentes Zuhause») lässt sich der Komfort im eigenen Zuhause erhöhen und gleichzeitig kann der Energieverbrauch verringert werden. Dies sorgt dafür, dass die Akzeptanz und der Anreiz Energie einzusparen erhöht wird. Der folgende Blog soll aufzeigen, wie sich dieses Konzept durch die Anwendung von LoRaWAN auf eine ganze Stadt hochskalieren lässt, was somit zum Konzept Smart City («intelligente Stadt») führt.



Smart Home

Der Begriff Smart Home ist vielen im Zusammenhang mit IoT (Internet of Things) geläufig. Unter Smart Home versteht man das Vernetzen und den Informationsaustausch von Geräten im eigenen Zuhause. So kann die Raumtemperatur, Helligkeit, Luftqualität und vieles mehr erfasst und zentral aufgezeichnet werden. Diese Daten werden ausgewertet und können bei Bedarf mit anderen, externen Daten (wie z.B. Wettervorhersagen) verknüpft werden. So kann der Hausbewohner über das Smartphone alarmiert werden, falls ein Fenster geöffnet wird oder die Temperatur unter einen festgelegten Grenzwert sinkt. Es können jedoch auch Aktoren (Antriebe, Schalter und vieles mehr) eingesetzt und vernetzt werden. Somit kann das Zuhause automatisiert und der Komfort massiv erhöht werden. Es können beispielsweise alle Fenster automatisch geschlossen werden, wenn ein Regensensor Regen detektiert. Das Licht kann durch die Kombination von Bewegungssensoren und Aussenhelligkeit automatisch gesteuert werden. Sinkt die Raumtemperatur unter den eingestellten Grenzwert, wird das Heizventil mehr geöffnet. Meldet jedoch die Wettervorhersage innerhalb der nächsten Stunde einen Temperaturanstieg, kann das System darauf verzichten, die Heizleistung zu erhöhen. Mit genügend Fantasie gibt es kaum Grenzen, welche Anwendungen alle ins Smart Home System integriert werden können. Smart Home Anwendungen helfen in vielen Fällen Energie einzusparen und gleichzeitig den Komfort im eigenen Heim zu erhöhen.

Für die Vernetzung der Sensoren und Aktoren im Smart-Home-Bereich werden unterschiedlichste Funktechnologien wie WLAN, ZigBee oder Z-Wave verwendet. Teilweise werden auch herstellerspezifische Protokolle eingesetzt. Bei hohen Reichweitenanforderungen oder Batteriegeräten bietet sich LoRa als Funktechnologie an.


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Smart City

Denkt man eine Grössenordnung höher, wird nicht mehr von Smart Home, sondern von Smart City gesprochen. Von Smart City spricht man, wenn Städte oder ganze Agglomerationsgebiete Daten aus dem gesamten Stadtgebiet zentral sammeln, auswerten und mit Hilfe dieser Daten verschiedene Prozesse steuern oder optimieren. So können beispielsweise Verkehrsströme einfacher erfasst werden, wodurch die Parkplatzsuche verkürzt und Staus verhindert werden. Wie bei Smart Home hilft das Konzept Smart City dabei Ressourcen wie Arbeitskräfte, Energie, Wasser usw. optimaler einzusetzen und die Lebensqualität im gesamten Stadtgebiet zu erhöhen.

Für den Anwendungsbereich Smart City reicht selbst die hohe Reichweite von LoRa häufig nicht mehr aus. Die Stadtgebiete erstrecken sich über grössere Flächen und die vielen grossen Gebäude erschweren eine Funkübertragung zusätzlich. Ausserdem gibt es Hügel zwischen den einzelnen Stadtgebieten, was die Übertragung nochmals schwieriger macht. So ist Smart City ein prädestiniertes Anwendungsgebiet für LoRaWAN. Für Smart City werden über das gesamte Stadtgebiet LoRaWAN-Gateways installiert. Die Gateways werden vorzugsweise in erhöhter Lage platziert, um mit möglichst wenig Hardwareaufwand die gesamte Region lückenlos abzudecken. Voraussetzung ist, dass am Installationsstandort ein Internetanschluss vorhanden ist, damit die Daten vom Gateway aus an einen zentralen Applikationsserver übertragen werden können. In den meisten Fällen sind die Gebäude der Stadtverwaltung über das gesamte Stadtgebiet verteilt, was dieses Vorhaben erleichtert. Ausserdem sind durch die hohe Reichweite der LoRa-Funktechnologie nicht allzu viele Gateways notwendig. In vielen städtischen Gebieten werden bereits LoRaWAN-Netzwerke von Telekom- und anderen Anbietern betrieben und deren Nutzung gegen eine Gebühr angeboten. Somit muss häufig keine eigene LoRaWAN-Infrastruktur installiert werden. Bei eigenen LoRaWAN-Gateways können diese wahlweise an bestehenden Netzwerken angemeldet werden oder es wird eine eigene Serverinfrastruktur betrieben.

Sensoren im ganzen Stadtgebiet erfassen Daten und senden diese an das nächstgelegene LoRaWAN-Gateway, welches die Daten dann an den Applikationsserver weiterleitet. Die erfassten Daten werden ausgewertet und die Prozesse der Stadtverwaltung optimiert. So kann beispielsweise der Einsatz von Müllabfuhr, Werksdienst und Polizei (Ordnungsamt) besser koordiniert werden. Über das LoRaWAN können aber auch Daten vom Applikationsserver aus an Aktoren wie Anzeigetafeln gesendet werden oder Ampelanlagen können mit Hilfe der gesammelten Daten optimaler arbeiten.

LoRaWAN-Knotenpunkte werden in die Betriebsklasse A, B oder C eingeteilt. Welche Betriebsklasse verwendet wird, ist abhängig davon, ob der Knotenpunkt batteriebetrieben ist und wie das benötigte Datenintervall vom Applikationsserver zum Knotenpunt aussieht. Somit kann LoRaWAN optimal an die aktuelle Anwendung angepasst verwendet werden.

Dank dem Sicherheitskonzept von LoRaWAN können die Daten nicht von unberechtigten abgefangen, missbraucht oder verändert werden. Dies ist wichtig, damit z.B. nicht plötzlich die Ampelanlage unberechtigt gesteuert wird.


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Gängige Smart City Anwendungen sind:

  • Parkleitsystem: Mit Hilfe von Sensoren auf den Parkfeldern, Anzeigetafeln, Webseiten und Apps werden die Verkehrsteilnehmer zu den freien Parkfeldern gelotst. Gleichzeitig kann einfacher und mit weniger Personal kontrolliert werden, ob die Parkgebühr entrichtet wurde.
  • Regulieren des Verkehrsflusses: Sensoren erfassen den Verkehrsfluss. Entsprechend der erfassten Daten werden die Ampelphasen über mehrere Strassenabschnitte beeinflusst bzw. koordiniert.
  • Mietveloflotte: Mittels GPS und Übertragung über LoRaWAN kann der Standort jedes Velos erfasst und in einer App angezeigt werden. Auch die Gebührenabrechnung bei Benutzung eines Mietvelos erfolgt durch die App, indem die zurückgelegte Strecke mittels GPS erfasst und gemeldet wird.
  • Koordination von Arbeitskräften: Die Position von Werkdienstgruppen und Fahrzeugen kann ermittelt werden. Somit können Aufträge kurzfristig der nächstgelegenen Gruppe zugewiesen werden.
  • Füllstandüberwachung von Abfalleimern und Sammelcontainern: Die Position und der Füllstand wird erfasst und übermittelt. Somit kann die Leerung optimiert werden.
  • Auslesen von Energiezählern: Energiezähler melden den Zählerstand zyklisch über LoRaWAN. Somit entfällt der Aufwand für das Auslesen vor Ort und eine evtl. notwendige Terminvereinbarung.
  • Überwachung von Wasserreservoirs und Wasserfassungen: Wasserstand und Qualität werden mittels Sensoren erfasst. Dies ermöglicht eine frühzeitige Reaktion bei auftretenden Problemen und eine Langzeitprognose durch statistische Auswertungen.
  • Monitoring der Luftqualität: Die Luftqualität wird mittels Sensoren über das gesamte Stadtgebiet verteilt erfasst. Dies erlaubt es Langzeitstatistiken zu erstellen und gezieltere Massnahmen zu ergreifen.

 Wie bei Smart Home sind auch bei Anwendungen im Bereich Smart City kaum Grenzen gesetzt. 


Weiter Anwendungen ausserhalb Smart City 

Auch für Grossfirmen mit weitläufigen Firmengeländen, grossen Fertigungshallen oder verteilten Standorten können Anwendungen analog dem Konzept Smart City von grossem Interesse sein. Dies wird als Smart Factory («intelligente Fabrik») bezeichnet und ist Teil des Zukunftsprojekts Industrie 4.0.  

Ein weiteres typisches Anwendungsgebiet von LoRaWAN ist die Landwirtschaft, welche Anbauflächen über weitverteilte Gebiete betreibt. So können Bodenfeuchtigkeit, Nährstoffgehalt, Sonneneinstrahlung und vieles mehr mit Sensoren erfasst werden. Somit lässt sich Bewässerung, Düngung und Pestizideinsatz optimieren. Auch Anwendungen im Zusammenhang mit den Nutztieren und deren Fütterung oder Fahrzeugen und Maschinen sind denkbar. Anstelle von Smart City spricht man von Smart Farming oder auch Landwirtschaft 4.0 bzw. Bauernhof 4.0. 


Schmidiger Funklösungen 

Für die LoRa-Verbindung zwischen Sensor, Aktoren und den LoRaWAN-Gateways ist unser neues LoRa-Funkmodul TRXnnn-70 bestens geeignet. Gerne unterstützen wir sie bei ihrem LoRaWAN-Projekt um die Vision von Smart City, Smart Factory und Smart Farming voranzutreiben.

 


Ihre Ansprechperson

U. Stöckli
Entwicklung
Elektroingenieur FH (BSc in Elektrotechnik)

T +41 41 494 07 05

U. Stöckli