LoRaWAN in der Smart City

Smart City, was bedeutet das überhaupt?

Eine Smart City wird anhand unterschiedlicher Kriterien identifiziert. Dazu gehören die Digitalisierung von Verwaltungsaufgaben, wie etwa die An- und Abmeldung von Fahrzeugen über Online-Formulare, ebenso wie die Erfassung von Daten – etwa zum Füllstand öffentlicher Mülleimer, zur Belegung von öffentlichen Parkplätzen, zur groben Zählung von Personen bei Veranstaltungen oder zur Überwachung der Bodenfeuchte öffentlicher Grünflächen. All diese Szenarien tragen dazu bei, Prozesse effizienter zu gestalten.

Die kabellose Realisierung per LoRaWAN

Um Anwendungen wie die oben genannten zu ermöglichen, ist Sensorik notwendig, die Daten erfassen und übertragen kann. Das klassische Kabel scheidet dabei aus logistischen und finanziellen Gründen aus. Entsprechend müssen Funktechnologien eingesetzt werden, die für diese speziellen Einsatzzwecke geeignet sind. Häufig wird in diesem Zusammenhang „LoRaWAN“ (kurz für „Long Range Wide Area Network“) genannt – eine der am weitesten verbreiteten Funktechnologien im Bereich Smart City. Die wichtigsten Gründe hierfür sind die folgenden:

• LoRaWAN ist stark auf Reichweite und Akkulaufzeit optimiert.
• Die notwendigen Komponenten sind für unterschiedlichste Use Cases verfügbar.
• LoRaWAN ist seit 2015 auf dem Markt und entsprechend erprobt.
• LoRaWAN hat sich bereits in vielen Umgebungen bewährt.
• Es sind mehrere Dienstleister auf dem Markt, die diese Technologie anbieten.

Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass der Verbreitungsgrad von LoRaWAN gestiegen ist. Viele Städte und Unternehmen nutzen bereits diese Technologie, um unterschiedlichste Use Cases zu realisieren.

Natürlich haben LoRaWAN und Funktechniken nicht nur Vorteile, sondern auch folgende Nachteile:

• Batteriebetriebene Endgeräte müssen irgendwann gewartet werden.
• Störungen und Kollisionen auf der Luftschnittstelle sind möglich und verhindern die Übertragung der Daten.
• Es muss eine ausreichende Funkversorgung sichergestellt werden, damit alle Daten von den Endgeräten empfangen werden können.
• Eine Überführung der Nutzdaten der Sensoren in nachgelagerte Systeme ist häufig mit Aufwand verbunden.
• Beschädigungen und Diebstahl von Sensoren sind nicht immer vermeidbar.

Aus diesen Gründen ist eine sorgfältige Vorabplanung von Kosten, Nutzen und Realisierung notwendig, um sicherzustellen, dass ein solches Unterfangen am Ende ein Erfolg und kein Reinfall wird.

Das LoRaWAN-Ökosystem

Um eine LoRaWAN-Infrastruktur erfolgreich einzusetzen, sind einige Systeme notwendig, die entweder vollständig vom betreffenden Unternehmen oder durch einen Dienstleister betrieben werden müssen.  Eine Abwägung der Kosten muss durchgeführt werden.

Für die Funktionalität sind mehrere Kernkomponenten notwendig, die im Folgenden dargestellt sind:

1. Endgeräte:

Ohne Endgeräte ist der gesamte Ansatz hinfällig. Es muss Komponenten geben, die die Werte, die von Interesse sind, auslesen und übertragen können. Die Endgeräte sind für den zielführenden Betrieb eines IoT-Netzwerks unabdingbar.

Bei den Endgeräten gibt es unterschiedliche Anforderungen, die beachtet werden müssen:

• Batteriebetrieben oder kabelgebunden
• Indoor- oder Outdoor-fähig
• Sendehäufigkeit und die daraus resultierende Batterielaufzeit

Sind diese Punkte geklärt, so kann eine Recherche zu der passenden Sensorik durchgeführt werden.

2. Gateways:

Die LoRaWAN-Gateways sind vergleichbar mit den Access Points im WLAN. Sie sind für die funktechnische Versorgung zuständig und können LoRaWAN-Pakete senden, empfangen und an die Infrastruktur weiterleiten.

Auch hierbei muss geklärt werden, ob die Gateways im Außen- oder Innenbereich eingesetzt werden sollen. Zudem ist eine Stromversorgung notwendig. Die Anbindung der Gateways an die zentrale Infrastruktur kann wahlweise per LAN oder über Mobilfunk und VPN realisiert werden.

3. Network Server:

Der Network Server ist die erste zentrale Stelle, an die die LoRaWAN-Pakete von den Endgeräten über die Gateways übertragen werden. Dieser Server ist verantwortlich für die Kommunikation zwischen den Endgeräten und der Infrastruktur. Dort werden die empfangenen Pakete auf Fehler geprüft, doppelte Pakete entfernt und die bereinigten Informationen an den Application Server weitergeleitet. Ein Zugriff auf die Nutzdaten der Sensorik hat der Network Server nicht, da diese zusätzlich verschlüsselt sind.

4. Application Server:

Der Application Server ist für die Bearbeitung der Nutzdaten verantwortlich. Er kann die Daten entschlüsseln und den nachgelagerten Systemen über unterschiedliche Schnittstellen bereitstellen. Regelmäßig eingesetzte Protokolle für diese Kommunikation sind unter anderem MQTT, SQL, Influx, http oder speziellere Protokolle wie IFTTT oder RabbitMQ. Der Application Server prüft zudem die empfangenen Daten auf Fehlerfreiheit, um defekte Informationen zu korrigieren oder zu entfernen.

5. Join Server:

Der Join Server ist verantwortlich für die Bearbeitung der Schlüsselpaare, die Ver- und Entschlüsselung der Pakete sowie die Prüfung, ob ein Endgerät dem Netzwerk beitreten darf. Er enthält eine Liste aller zum betreffenden Netzwerk gehörenden Endgeräte, einschließlich der sogenannten EUI (Extended Unique Identifier). Diese ist für jedes Endgerät einzigartig und mit einer MAC-Adresse vergleichbar. Außerdem ist dort das jeweilige Schlüsselmaterial hinterlegt, das die verschlüsselte Übertragung ermöglicht.

Was macht LoRaWAN so besonders?

Wie bereits oben erwähnt, liegt der größte Vorteil von LoRaWAN in seiner vergleichsweise langen Verfügbarkeit seit 2015. Dadurch war es möglich, dass viele Hersteller Sensorik hierfür entwickeln konnten und viele dieser Sensoren bereits seit einigen Jahren im Einsatz sind.

Da sich mehrere Unternehmen auf diese Technologie spezialisiert haben, sind die Auswahlmöglichkeiten hoch. Das führt wiederum dazu, dass unterschiedliche Infrastrukturen mit ihren jeweils eigenen Vorteilen und Spezialitäten verfügbar sind. Die Kosten sind aufgrund des Wettbewerbs nicht übermäßig hoch.

Wer das System vollständig selber betreiben möchte, kann dies auch tun, da eine in diesem Umfeld sehr bekannte Open-Source-Software verfügbar ist (Chirpstack), die alle Funktionen für ein LoRaWAN-System bereitstellt.

Die Zuverlässigkeit der Funktechnologie LoRaWAN konnte ebenfalls über einen langen Zeitraum erprobt und auf Nutzbarkeit geprüft werden.

Beispiele für Use Cases in der Smart City

Um einen Praxisbezug herzustellen, möchte ich einige Use Cases vorstellen, die bereits im Einsatz sind. All diese Beispiele wurden anhand eigener Erfahrung sowie durch die Öffentlichkeitsarbeit von unterschiedlichen Städten und Unternehmen ermittelt.

1. Intelligente Abfallwirtschaft:

Zur Verbesserung der Abfallwirtschaft werden öffentliche Abfalleimer mit einer Sensorik ausgestattet, die die Messung des Füllstandes durchführt. Je nach Füllstand kann so geplant werden, ob eine Leerung notwendig oder ob ein Behälter erst für die nächste Fahrt einzuplanen ist. So können überflüssige Anfahrten reduziert und die Streckenplanung optimiert werden.

2. Baum- und Grünflächenbewässerung:

Besonders im Sommer ist es bei langen Trockenperioden notwendig, einige Pflanzen und Bäume zu wässern. Mithilfe entsprechender Sensorik, die die Bodenfeuchte ermittelt, ist eine Planung der zu bewässernden Flächen möglich. Dies wiederum gestattet die Erstellung eines optimierten Streckenplans, um Zeit und – ganz besonders –Wasser zu sparen. So kann vermieden werden, Flächen zu bewässern, die noch ausreichend feucht sind.

3. Digitales Parkleitsystem:

Für eine optimierte Verkehrsführung innerhalb von Städten sind Anzeigen mit freien Parkplätzen nahezu unerlässlich geworden. Diese Anzeigen beziehen sich jedoch meist auf Parkplätze, -häuser und Tiefgaragen, da dort anhand der ein- und ausfahrenden Fahrzeuge eine Zählung der belegten Parkplätze möglich ist.

Für öffentliche Parkplätze, etwa am Straßenrand, ist eine solche Zählung nicht ohne Weiteres umsetzbar. Dabei bietet es sich an, jeden Stellplatz mit einer Sensorik auszustatten, die erkennt, ob ein Parkplatz belegt ist oder nicht. Zusätzlich lässt sich erfassen, wie lange ein Parkplatz belegt ist, sodass bei Überschreitung der maximalen Parkdauer automatisch ein „Knöllchen“ ausgestellt werden kann.

Die auf diese Weise gewonnenen Informationen können beispielsweise über eine App oder über Anzeigen am Straßenrand genutzt werden, um verfügbare freie Parkplätze darzustellen.

4. Hochwasserschutz:

Für alle wasserführenden Umgebungen wie Flüsse oder Kanalisationen ist es möglich, den aktuellen Wasserspiegel zu messen. Hierbei kann eine ähnliche Technologie zum Einsatz kommen wie bei den Abfalleimern. Beispielsweise wird per Ultraschall der Abstand zur Wasseroberfläche ermittelt, und bei Überschreitung von Grenzwerten können Maßnahmen eingeleitet werden, um den Abstand zu reduzieren oder entsprechende Warnungen für Hochwassergebiete herauszugeben.

5. Personenzählung bei öffentlichen Veranstaltungen:

Bei öffentlichen Veranstaltungen muss man wissen, wie viele Personen sich auf dem Veranstaltungsgelände aufhalten. Dies kann zum einen durch klassische Drehkreuze realisiert werden, jedoch sind diese nicht überall praktikabel einsetzbar. Alternativ ließe sich eine Sensorik an den Ein- und Ausgängen installieren, die durchgehende Personen zählt. Diese Sensorik ist nicht zu 100 % genau, jedoch in der Lage, eine grobe Abschätzung der Personenanzahl abzugeben. Ein gutes Beispiel hierfür sind Weihnachtsmärkte.

6. Innenraumüberwachung:

Ein Beispiel für die Nutzung im Innenbereich, ist eine Sensorik zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Helligkeit und Lautstärke. All diese Informationen können eingesetzt werden, um beispielsweise die Belüftung zu steuern oder Beleuchtungen ein- und auszuschalten. Bei Neubauten oder modernen Bestandsgebäuden sind Sensoren dieser Art bereits vorinstalliert und über das interne TGA-Netzwerk verbunden. Daher betrifft dieser Use Case eher die älteren Bestandsgebäude, bei denen die Verlegung von Kabeln schwierig, kostspielig oder nicht gewünscht ist.

Die Funk-Sensoren können in die Gebäudesteuerung integriert werden und übernehmen somit die Aufgabe der Überwachung.

Der Smart-City-Index

Um die Motivation für den Einsatz von IoT-Funktechnologien in der Stadt zu steigern, wurde ein Index entwickelt, der darstellt, wie „gut“ eine Stadt bereits digital ist. Dieser Index wird von der Bitkom ermittelt und öffentlich dargestellt (https://www.bitkom.org/Smart-City-Index). Dort fließen viele Faktoren ein wie beispielsweise die Digitalisierung von:

• Verwaltung
• Energie und Umwelt
• IT und Kommunikation
• Mobilität
• Gesellschaft und Bildung

Aus all diesen Werten wird eine Gesamtbewertung erstellt, die zu einer finalen Bewertung führt. Derzeit sind 82 Städte in diesem Index gelistet.

Fallstricke und Herausforderungen

Wie bereits erwähnt sind IoT-Funktechnologien wie LoRaWAN nicht perfekt. Daher gibt es bei dem Einsatz solcher Technologien einige Punkte zu beachten, die im Folgenden erläutert werden:

1. Begrenzte Datenraten und Datenmengen

Die Datenraten von IoT-Technologien sind sehr gering und befinden sich in etwa im Bereich zwischen 1 und 50 kbit/s. Hierüber sind somit nur kleine Datenmengen übertragbar, wohingegen Sprach- bzw. Videodaten damit nicht übertragen werden können – was allerdings auch nicht angestrebt wird. Besteht die Anforderung, größere Datenmengen zu übertragen, sollten alternative Technologien in Betracht gezogen werden.

2. Interferenzen und Netzauslastung

Da sich Funktechnologien alle das gleiche Medium Luft teilen müssen, ist eine Störung des Mediums nicht auszuschließen. Es gibt viele Umstände, die solche Probleme erzeugen können, daher ist eine gute Planung und Konfiguration des Netzwerkes notwendig. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, einen Temperaturwert alle 30 Sekunden zu übertragen. Hier sind 15 Minuten eine sinnvollere Einstellung.

Dabei muss auch die Größe der Datenpakete berücksichtigt werden, da ein Temperaturwert mit zehn Nachkommastellen den Rahmen sprengen würde. Zumal die verbaute Sensorik niemals eine derart hohe Genauigkeit liefern kann. Empfehlenswert ist in diesem Beispiel eine Nachkommastelle für die Temperatur.

Die genannten Faktoren haben in der Gesamtheit einen Einfluss auf die Netzauslastung und die verfügbare Kapazität, die insbesondere bei großen Netzwerken beobachtet werden muss.

3. Duty Cycle

Neben der Netzauslastung ist der sogenannte Duty Cycle zu beachten, der in den eingesetzten Frequenzbändern (meist 868 MHz oder 433 MHz) unbedingt einzuhalten ist. Dieser beträgt für Endgeräte 1 %, was heißt, dass pro Stunde maximal 36 Sekunden gesendet werden darf. Dies soll Interferenzen, Kollisionen und Störungen auf der Luftschnittstelle minimieren.

Die Sensoren überwachen diesen Wert häufig bereits werkseitig, sodass in vielen Fällen kein Eingreifen notwendig ist. Eine Überwachung ist dennoch empfehlenswert.

Ebenfalls ist zu prüfen, ob die Endgeräte alle möglichen Kanäle verwenden, die verfügbar sind. LoRaWAN bietet acht Kanäle, die von den Endgeräten verwendet werden können. Im Idealfall werden diese gleichmäßig ausgelastet.

4. Datenschutz und Sicherheit

LoRaWAN nutzt zur Verschlüsselung AES-128, was für viele Einsatzzwecke ausreichend ist. Die Bundesnetzagentur schreibt jedoch für bidirektionale Kommunikation von sensiblen Endgeräten wie Strom- und Wasserzähler mindestens AES-256 vor, sodass LoRaWAN in diesem Fall keine passende Technologie darstellt.

5. Flächendeckende Versorgung – insbesondere in ländlichen Bereichen

Eine vollflächige Versorgung ist natürlich wünschenswert, wenn mehrere Use Cases in verschiedenen Gebieten ermöglicht werden sollen. Insbesondere mobile Endgeräte sind darauf angewiesen, dass eine ausreichende Versorgung zur Verfügung steht.

Die Umsetzung ist jedoch nicht einfach, da nicht überall Strom oder ein geeigneter Montageort für ein Gateway verfügbar ist.

6. Wartung und Batterielaufzeit

Da viele Sensoren batteriebetrieben sind, ist eine Wartung dieser unvermeidbar. Viele Sensoren werben mit Laufzeiten von über 10 Jahren, was teils realistisch sein kann, aber nicht garantiert ist. Einfluss darauf haben unter anderem die Verfügbarkeit des LoRaWAN-Netzwerkes (mit ausreichender Sendeleistung und Sendedauer) sowie die Häufigkeit der Übertragungen.

7. Dekodierung der Daten der Endgeräte

Ein Problem, das bestenfalls keins sein sollte, ist leider die herstellerabhängige Kodierung der Messwerte. Das bedeutet, dass für jedes Endgerät eine vom Hersteller bereitgestellte oder selbst entwickelte Dekodierung erforderlich ist. Kostenpflichtige LoRaWAN-Systeme stellen häufig eine große Auswahl an Decodern für unterschiedlichste Endgeräte bereit. Bei der Software Chirpstack stellt dies jedoch den größten Kritikpunkt dar, da hier keine Decoder bereitgestellt werden.

Vor der Beschaffung der Endgeräte muss zusätzlich geprüft werden, ob ein Decoder verfügbar ist oder ob dieser anhand einer Dokumentation nachträglich entwickelt werden muss. Einige Dienstleister bieten an, diese Entwicklung zu übernehmen, sofern die Nutzung ihrer Infrastruktur sowie der zugehörige Support in Anspruch genommen werden.

Fazit

Abschließend ist festzuhalten, dass Smart-City-Technologien zunehmend an Bedeutung gewinnen, insbesondere in größeren Städten. Viele sind bereits dabei, ein solches System aufzubauen und zu integrieren (siehe Smart-City-Index), was einen großen Vorteil für die weitere Entwicklung darstellt.

Die Technologie LoRaWAN ist hierbei ein gutes und wichtiges Werkzeug, um solch ein Vorhaben kosteneffizient und effektiv umzusetzen. Auch alternative Technologien wie mioty oder Wirepas gewinnen im Smart-City-Umfeld an Bedeutung.

Wichtig ist jedoch, dass man sich den Herausforderungen und Problemen bewusst ist, die das zielführende Betreiben eines solchen Systems mit sich bringt. Anwendungsbeispiele, von denen man wertvolle Erkenntnisse gewinnen kann, gibt es bereits.