LoRa-Technologie ebnet den Weg zur Smart City

| Autor / Redakteur: Vivek Mohan / Michael Eckstein

LoRa-Leuchten: Die proprietäre Funktechnik LoRa überträgt die Betriebsdaten über ein Gateway und eine Cloud zum Anwendungs-Server. Fallen Lampen aus, kann die Stadtverwaltung bedarfsgerecht reagieren.
LoRa-Leuchten: Die proprietäre Funktechnik LoRa überträgt die Betriebsdaten über ein Gateway und eine Cloud zum Anwendungs-Server. Fallen Lampen aus, kann die Stadtverwaltung bedarfsgerecht reagieren. (Bild: Semtech)

LoRa ist eine Funktechnologie auf Basis des LoRaWAN-Protokolls, die sich neben 5G für die Entwicklung von Städten hin zu Smart Cities eignet. Für einige Anwendungen ist LoRa sogar besser geeignet als der oft genannte neue Mobilfunkstandard.

In den USA leben mittlerweile über 82 % der US-Bevölkerung in städtischen Gebieten. Die Verstädterung nimmt jährlich stark zuzu. Daher suchen Städte zunehmend nach Möglichkeiten, sich zu modernisieren. Viele mit dem Ziel, sich zu einer Smart City zu entwickeln. Die Idee einer „intelligenten Stadt“ (Smart City) ist nicht neu. Städte suchen ständig nach neuen Wegen, wie Technologie dazu beitragen kann, eine leistungsfähige und nachhaltige Infrastruktur aufzubauen, die Mehrwert schafft und die Verwaltungs- und Betriebskosten senkt. Ziel bei der Umsetzung von Smart-City-Technologien ist, die Lebensqualität der Bewohner zu verbessern, Effizienz zu schaffen, Wartezeiten zu verkürzen, den Bedarf an Dienstleistungen zu decken und die Ressourcen der Stadt und damit die Steuergelder effizienter zu nutzen. Eine aktuelle Studie zeigt, dass Smart Cities bis 2022 zu Kosteneinsparungen von 5 Billionen US-Dollar beitragen können. Mit Echtzeitdaten über die Stadtsysteme und Infrastruktur können Verwaltungen und Bürger die Effizienz städtischer Initiativen einfacher beurteilen und je nach Bedarf Verbesserungen vornehmen.

Einen wichtigen Part dabei spielt das Internet of Things, kurz IoT. Es dringt in nahezu alle Lebensbereiche vor und verändert praktisch jedes Unternehmen und jede Branche. Angesichts der Möglichkeiten der nächsten Mobilfunkgeneration 5G stellt sich die Frage, ob diese Technik nicht die natürliche Lösung für bestehende Smart-City-Probleme ist? Doch es gibt weitere Technologien, die für bestimmte Anwendungen in Smart Cities möglicherweise sinnvoller sind – etwa das Senken des Energieverbrauchs durch intelligente Beleuchtung, Zähler usw. Eine davon ist LoRa.

Was ist LoRa?

Die schnelle Antwort: Long Range Radio (Langstreckenfunk). Die von Semtech entwickelte LoRa-Technologie für die drahtlose (Funk-)Datenkommunikation mit großer Reichweite wird durch Halbleiter-ICs möglich, die sehr wenig Strom verbrauchen. Je nach Funktion und Funktionalität eines solchen Funksenders kann eine Batterie ihn jahrelang mit Strom versorgen. Laufzeiten von 10 bis 20 Jahren ohne Batteriewechsel sollen so möglich sein. Das reduziert den Wartungsaufwand enorm.

Im Gegensatz zu 4G oder 5G arbeiten LoRa-Netzwerke in einem nicht lizenzierten Spektrum. Diesesermöglicht eine bidirektionale Kommunikation, ohne dass die für den Aufbau eines Netzwerks auf staatlich lizenzierten Spektren erforderlichen Regulierungs- und Auktionskosten anfallen. Konkret nutzt LoRaWAN regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM-Band und SRD-Band. In Europa das ISM-Band Region 1 von 433,05 MHz bis 434,79 MHz und das SRD-Band Europa von 863 MHz bis 870 MHz. In Nordamerika erfolgt die Datenübertragung hingegen auf dem ISM-Band Region 2 von 902 MHz bis 928 MHz.

Das LoRaWAN-Protokoll ist ein einheitliches Protokoll, das von der LoRa Alliance unterstützt wird, einer offenen, gemeinnützigen Vereinigung von mehr als 500 weltweiten Mitgliedern, darunter Alibaba, Cisco, IBM und Google. Durch die Zusammenarbeit an einem offenen, einheitlichen Protokoll soll ein Mehrwert geschaffen und die Abdeckung erhöht werden. Gemeinsam will man das LoRaWAN-Protokoll als offenen weltweiten Standard für sichere Carrier-Grade-IoT-LPWAN-Anbindung etablieren und vorantreiben.

LoRa im städtischen Einsatz

LoRa-Technik bietet technische und wirtschaftliche Vorteile für Smart-City-Anwendungen. Die Technologie ist eine Möglichkeit, mit der Behörden und Städte nachhaltige Dienstleistungen bereitstellen können. LoRa und LoRaWAN stellen eine intelligente Überwachungs- und Steuerungsinfrastruktur zur Verfügung. Städt können damit Daten von Tausenden vernetzter Geräte und Systeme auf rationelle Weise sammeln und analysieren. Mit diesen Informationen sollen sie beispielsweise bessere entscheiden können, welche Dienstleistungen für ihre Pläne geeignet sind.

LoRaWAN-Netzwerke lassen sich flexibel bereitstellen und in öffentlichen, privaten oder hybriden Netzwerken im Innen- oder Außenbereich installieren. Für dicht besiedelte Ballungszentren ist es von Vorteil, dass LoRaWAN-Signale relativ tief in die städtische Bebauung vordringen. Smart-City-Technologie verändert damit die Art und Weise, wie Städte, Behörden und Bürger interagieren.

Straßenlaternen in Boston

Was mit LoRa möglich ist, zeigt das Beispiel Boston in Massachusetts. Die Stadt verfügt über mehr als 67.000 Straßenlaternen. Sie beleuchten stark frequentierte Straßen, historische Sehenswürdigkeiten und Hauptstraßen. Mit über 1600 Schaltkästen und 32.000 Schachtabdeckungen ist das Aufrechterhalten dieser Infrastruktur ein erheblicher kommunaler Aufwand – vor allem, wenn die Lampen in den Wintermonaten stark beansprucht werden.

Straßenlaternen nehmen einen großen Teil des Energiebudgets einer Stadt ein – in einigen Fällen sogar über 40%. Untersuchungen von Stromnetzen gehen davon aus, dass eine Smart-Grid-IoT-Lösung mit Sensoren, Gateways und LED-Lampen hohe Kosteneinsparungen und wertvolle Daten bereitstellen würde. Die Möglichkeit, alle diese Leuchten besser zu verwalten, verringert den Energieverbrauch, die Treibhausgasemissionen und die Kosten, während gleichzeitig die Sicherheit der Bürger gewährleistet wird.

LoRa vernetzt Sensoren und Gateways

Wie funktioniert nun eine intelligente Beleuchtung (Smart Lighting) in einer Stadt wie Boston? Über das LoRa-Netzwerk lassen sich Sensoren in jede Straßenbeleuchtung integrieren, die sowohl Lichtfunktionen steuern als auch Nutzungsdaten sammeln. Die LoRa-Technik im Sensor vernetzt die Straßenbeleuchtung mit einem LoRa-basierten Gateway, das Daten von allen in der Nähe befindlichen Straßenlaternen sammelt. Das Gateway sendet die Informationen dann an einen öffentlichen oder privaten Cloud-Server, wo die Daten von einem Anwendungsserver analysiert werden, der letztendlich die Beleuchtung steuert und bei Bedarf automatisch Warnungen über ausgebrannte Lampen und andere Störungen generieren kann.

All dies kann in öffentlichen oder privaten Netzwerken erfolgen. Anwender können sogar Over-the-Air-(OTA-)Updates einpflegen, um bei Bedarf zwischen öffentlichen und privaten Netzwerken zu wechseln. Die bidirektionale Kommunikation der LoRa-Technik macht dies möglich. Das Anwendungsspektrum der LoRa-Technik in Smart Cities ist äußerst vielfältig und hört mit der Beleuchtung nicht auf. Die Technologie kann auf verschiedene Arten zum Einsatz kommen:

  • Parken: Intelligente Parkplatz-Überwachung zeigt Parkplätze in der Stadt an, um Verkehrsstaus zu verringern, wenn Fahrer nach einem Parkplatz suchen. Studien zeigen, dass Fahrer 17 Stunden pro Jahr mit der Suche nach einem Parkplatz beschäftigt sind.
  • Verkehrsfluss: Helikopter zur Verkehrsüberwachung könnten eines Tages der Vergangenheit angehören. Verkehrsstaus sind eine große Herausforderung und störend für Stadtbewohner. Intelligente Verkehrssysteme, die sowohl den Fahrzeug- als auch den Fußgängerverkehr überwachen, können Autos und Fußgänger wesentlich besser führen. Dies erfolgt durch intelligente Ampeln, die den Verkehr erfassen und die Lichtphasen koordinieren. In Zukunft könnten intelligente Verkehrssysteme sogar die Kommunikation zwischen Ampelsignalen und Sensoren in Fahrzeugen umfassen.
  • Wartung von Verkehrsampeln: Die Überwachung der Verkehrsampeln ermöglicht es Stadt-/Gemeindeverwaltungen, schnell auf ausgebrannte Lampen, defekte Lichtmasten (unfallbedingt) oder auf fehlerhaft arbeitende Signalanlagen zu reagieren. Dies hilft bei Staus, möglichen Unfällen und anderen Gefahrensituationen.
  • Vorausschauende Wartung: Smart-Building-Systeme können Daten liefern, die über ein vorausschauendes Wartungssystem sicherstellen, dass Einrichtungen ordnungsgemäß gewartet werden. Diese Systeme können Vibrationen und andere physikalische Bedingungen in Gebäuden, Brücken und historischen Denkmälern überwachen, so dass die Verwaltung Maßnahmen ergreifen kann, bevor größere Reparaturen erforderlich sind.
  • Abfallentsorgung: Das Einsammeln von Abfällen ist ein wesentliches Aufgabengebiet der Stadtverwaltung. Zu oft werden aber unnötige Ressourcen vergeudet, um z.B. nur halb oder wenig gefüllte Abfallbehälter zu leeren. Noch schlimmer ist, wenn Abfallbehälter wegen fehlender Nachverfolgungsmöglichkeiten überfüllt sind. Intelligente Abfallmanagementsysteme können helfen, Müllpegel in Containern zu erkennen, um die Abfallsammelrouten zu optimieren, um somit die Effizienz, Kosten und Sauberkeit zu verbessern.
  • Lärm und Luftverschmutzung: Wenn immer mehr Menschen in die Städte ziehen, werden der Lärm und die Luftverschmutzung zu einer immer größeren Herausforderung. Intelligente Lärm- und Luftverschmutzungsüberwachung kann Daten liefern, die das Wohlbefinden der Bürger verbessert und Zusammenhänge zwischen systemischen Gesundheitsproblemen erkennen lassen.

LoRa und LEDs: Fallstudie mit Hafenstädten

Im Jahr 2017 hat der Yachthafen von Tallinn an der Westküste des Kopli-Golfs auf der Halbinsel Kakumäe (Estland) die LoRa-Technologie getestet. Der Hafen verfügt über umfangreiche Anlagen, darunter Ponton-Docks, ein schwimmendes Hotel, Verwaltungsgebäude, gastronomische Einrichtungen und eine Segelschule für Kinder, was ihn zu einem modernen maritimen Zentrum in dieser Ostseeregion macht. Um auf dem neuesten Stand der Hafentechnik zu bleiben, muss neben der Infrastruktur auch die Beleuchtung modernisiert werden.

Die LoRa-Installation wird in allen Lampen im Hafen getestet, die sich über ein LoRaWAN-Netzwerk fernsteuern lassen. Dafür wurden Lampensteuerungen für die 45 Außenleuchten installiert. Die Luminaire-Controller wurden über das Funksystem, das zum Hafen gehört, mit dem LoRaWAN-Gateway verbunden. Die Verbindung wird auch von anderen in der Nähe befindlichen Gateways unterstützt. Die sichere IoT-Hub-Plattform visualisiert verschlüsselte Daten von den Endknoten über das LoRaWAN-Backend.

LoRa vernetzt Beleuchtungssystem

Die Vernetzung von Lampen über LoRa ermöglicht einen autonomen Betrieb mit vorkonfigurierten Beleuchtungsprofilen, so dass der Hafen einen geringeren Stromverbrauch verzeichnet und über eine kostengünstige Lösung für das Beleuchtungssystem verfügt. Obwohl der Hafen die Lösung immer noch testet, zeigen die über LoRa betriebenen Controller bereits eine verbesserte Echtzeitsteuerung und Einheitlichkeit bei der Beleuchtung. Die Möglichkeit, die Lichtintensität, den Betriebsmodus und Bewegungen zu überwachen, bedeutet, dass sich unnötig betriebene Lampen vermeiden und somit unnötige Kosten vermeiden lassen.

Mit der Umsetzung dieses neuen Beleuchtungssystems stellt der Hafen die Weichen dafür, wie zukünftige Häfen aussehen könnten. Die Sicherheit ist dabei nicht gefährdet. Neben der Übertragung von Daten über die vollkommen sichere Plattform ermöglichen die Zugangskontrollsysteme mehr Flexibilität und Echtzeitbenachrichtigungen sowie Warnungen über mögliche nicht autorisierte Aktivitäten. Um Sicherheitsproblemen entgegenzuwirken, stellt Semtechs Technologie sicher, dass niemand auf Root-Schlüssel zugreifen kann, Systeme nicht kopiert werden können und die eigentlichen Nutzer die einzigen sind, die Zugriff auf Sensordaten haben.

Die Technik lässt sich auch in einem privaten Netzwerk betreiben, um Providern mehr Kontrolle, Einsehbarkeit und Sicherheit über die Daten zu geben. Die Umsetzung intelligenter Systeme, die Infrastrukturprozesse (z.B. die Beleuchtung) automatisieren und vereinfachen, ist einer der ersten Schritte in Richtung intelligenterer und zuverlässiger Abläufe in Häfen.

Weniger Wartungsaufwand durch hohe Energieeffizienz

LoRa ist besonders dann von Vorteil, wenn der Mehrwert einer Anwendung erhöht und die Investitionen in Infrastruktur und Wartung verringert werden sollen. Die flexible, stromsparende LoRa-Technik unterstützt den Aufbau öffentlicher oder privater Netzwerke über große Entfernungen. Man stelle sich Tausende von Sensoren vor, die in Straßenlaternen verbaut sind und man müsste die Batterien in diesen Sensoren mehrmals pro Jahr austauschen. Aufgrund des extrem geringen Stromverbrauchs von LoRa können Batterien in Sensoren einen jahrelangen Betrieb ermöglichen, was den Zeit-, Kosten- und Personalaufwand für die Wartung erheblich reduziert.

Darüber hinaus ermöglicht die flexible und skalierbare Architektur von LoRa, die auf einem nicht lizenzierten Spektrum basiert, dass sich schnell und einfach ein öffentliches oder privates Netzwerk mit großer Reichweite aufbauen lässt – von Häfen über Städte bis hin zu Parkhäusern. Sensoren lassen sich sogar auf bereits vorhandene Mobilfunkmasten installieren. Dies verringert den Investitionsaufwand für den Aufbau einer Netzwerk-Infrastruktur, die IoT-Anwendungen unterstützen soll. Mit der bidirektionalen Kommunikation und Over-the-Air-(OTA-)Update-Funktion von LoRa kann das Ändern eines Netzwerks von öffentlich auf privat oder umgekehrt mit einem einfachen Push-Update erfolgen.

Zusammen mit Sensoren, die eine große Reichweite bieten (bis zu 50 km in ländlichen Gebieten) oder über Kilometer in dicht besiedelten städtischen Gebieten oder Innenräumen wird der Vorteil von LoRa sofort ersichtlich. Smart-City-Technologien können neue Lösungen für intelligentere und verbesserte Anwendungen in Städten bieten. Der Aufbau eines skalierbaren, flexiblen und sicheren IoT-Netzwerks mit großer Reichweite kann einige Infrastrukturinvestitionen überflüssig machen und die Wartungskosten senken. LoRa und die LoRaWAN-Spezifikation sind eine geeignete Basis für erfolgreiche Smart-City-Lösungen.

LoRaWAN in der Praxis

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IoT ohne Internet: Pragmatischer Ansatz für Konnektivität

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* Vivek Mohan ist Director IoT von Semtech

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