Funk- und leitungsgebundene Kommunikationstechnik in der Smart City

In den letzten Jahren hat sich der Begriff Smart City etabliert – und dabei viele Diskussionen ausgelöst. Das Grundkonzept umfasst ein breites Spektrum unterschiedlicher Technologien, die alle das übergeordnete Ziel verfolgen, die Lebensqualität der Menschen in großen Ballungsräumen zu verbessern. Die Überlegungen  erstrecken sich von der Bekämpfung der Luftverschmutzung über die Verringerung von Verkehrsstaus, einen effizienteren öffentlichen Nahverkehr, die bessere Nutzung von Parkeinrichtungen, die Bekämpfung von Kriminalität, einer effizienteren Abfallbeseitigung, das Verhindern von Pandemien und schnellere Notfalldienste bis hin zu einer besseren Verteilung der verfügbaren Wasser- und Energieressourcen.

Smart City Singapur

Bild 1: Singapur gehört zu den Städten, die bisher dem Eindruck einer Smart City am nächsten kommen. Bridgetek

Zu den Städten, die bisher dem Eindruck einer Smart City am nächsten kommen, gehört Singapur (Bild 1). Hier wurden zahlreiche Initiativen in die Wege geleitet, die unterschiedliche Arten digitaler Technologie nutzen. Für dieses ehrgeizige Projekt belaufen sich über einen Zeitraum von vier Jahren die Staatsausgaben auf zwei Milliarden US-Dollar. Den Start stellte der Aufbau eines umfangreichen Glasfaser-Backbones dar, gefolgt von zusätzlichen Ebenen für eine Funkanbindung. Es folgten intelligente Überwachungskameras, um kriminelle Aktivitäten zu beobachten. Bewegungsmelder in Altersheimen überwachen die Mobilität der Bewohner und machen das Personal auf mögliche Probleme aufmerksam.

Aktuelle Ortungsdienste unterstützen den öffentlichen Nahverkehr und passen Dienstleistungen besser an die Anforderungen des Pendleraufkommens an. Straßenbenutzungsgebühren und Parkgebühren lassen sich automatisch und bargeldlos bezahlen und eine Verkehrsüberwachung soll Staus verhindern. Durch Weiterentwicklungen im Bereich virtuelle Realität können Stadtplaner im Voraus sehen, welche Auswirkungen neue Gebäude und Straßen auf ihre Umgebung haben. Diese Auswirkungen beinhalten unter anderem den Luftstrom, Beeinträchtigungen der Mobilfunkabdeckung, den Lichteinfall und die Schattenbildung durch andere Gebäude, die Bepflanzung sowie die zusätzliche Belastung für die Wasserversorgung und das Abwassersystem.

HMI auf niedriger Ebene einbeziehen

Der Übergang zu Smart Living beziehungsweise zur Smart City erfolgt nur durch umfangreiche Investitionen von Behörden, Versorgungsunternehmen und Transportdienstleistern. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch Veränderungen zuhause, im Büro und an anderen Orten. Sind diese Orte beziehungsweise Einrichtungen alle miteinander vernetzt, stellen sie einen wesentlichen Beitrag zur vernetzten Welt dar. Auf dieser Ebene ist die direkte Interaktion zwischen den Einwohnern einer Stadt und der unterstützenden Technik am größten, während diese Interaktion auf höheren Ebenen weniger wichtig und ein gewisses Maß an Abstraktion möglich ist. Aus diesem Grund muss die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) dieser Anwendungen auf niedrigerer Ebene ausreichend Berücksichtigung erfahren.

Ein Aspekt des Smart-City-Lebens ist die zunehmende Ausstattung der Häuser und Wohnungen mit automatisierten Systemen. Um Energieverschwendung entgegenzuwirken sind Beleuchtung und Heizung in Benutzung, wenn sie tatsächlich erforderlich sind. Darüber hinaus nimmt das Sicherheitsgefühl zu, das angesichts wachsender Bevölkerungsdichten zunehmend an Bedeutung gewinnt. Gleiches gilt für Arbeitsplätze, die sichere und energieeffiziente Umgebungen darstellen müssen.

Warum bei der Planung einer Smart City auch Bevölkerungsstrukturen zu berücksichtigen sind, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Sensorik und Datenanbindung

Angesichts der Schätzungen, dass die Weltbevölkerung in den nächsten 30 Jahren auf mehr als 9,5 Milliarden Menschen anwachsen soll, entwickelt sich die Nahrungsmittelproduktion zu einer weiteren großen Herausforderung. Smart Citys müssen daher Flächen für kommerzielle Gewächshäuser in ihrer Peripherie für den Anbau von Kulturpflanzen unter künstlichem Licht bereitstellen, um den Ansprüchen der Bürger genügen zu können. In einem kommerziellen Gewächshaus dieser Art kommen Kommunikationsnetzwerke auf der Basis von CAN- oder Ethernet-Protokollen zum Einsatz, um Daten wie beispielsweise Lufttemperatur, Bodentemperatur und -beschaffenheit, Lichtintensität und Luftfeuchtigkeit auszutauschen. Verschiedene, im Gewächshaus verteilte Sensoren sammeln diese Daten, fassen sie zusammen und analysieren sie im Anschluss, um geeignete Maßnahmen zu treffen, zum Beispiel Lüftungen aktivieren, wenn die Lufttemperatur zu hoch ist, oder die Lichtfrequenz/-intensität ändern, um die Erträge zu verbessern. Auch hier geht es darum, die richtige Datenanbindung bereitzustellen und diese mit einer effektiven und übersichtlichen HMI zu unterstützen.

Bevölkerungsstrukturen berücksichtigen

Eine der Herausforderungen für Smart Citys in Europa besteht darin, die Anforderungen einer alternden Bevölkerung einzubeziehen. Hier ist der automatisierte Ansatz äußerst wertvoll. Ältere und gebrechliche Menschen könnten damit zuhause wohnen, anstatt unter ständiger Aufsicht zu stehen – vorausgesetzt sie sind in der Lage, die Beleuchtung, Heizung, Multimediafunktionen per Tablet oder Sprachsteuerung einzustellen, ohne dass sie aufstehen müssen. Dies könnte sie in eine  Stresssituation bringen, die sogar mit Sturzgefahr verbunden ist. Diese Technik kann auch in Pflegeheimen oder Krankenhäusern zum Einsatz kommen, sodass Pflege- und medizinisches Personal über ein Display Änderungen während ihrer Schicht erfassen kann.

Mit den aufgezeichneten Ereignissen ist das Personal in der Lage, Antwortzeiten zu verfolgen sowie das Verhalten von Patienten und Anwohnern und den Personaleinsatz zu bewerten, um Verbesserungen umzusetzen. Auch ein Einsatz in Supermärkten und Kaufhäusern ist denkbar, um das gesamte Einkaufserlebnis zu bereichern. Näherungssensoren könnten die Anwesenheit eines Käufers in einem Gang beziehungsweise Bereich eines Ladens erkennen und anschließend ein Display aktivieren, das dann Werbebanner in Form von „Digital Signage“ abspielt, um die dort erhältlichen Produkte zu bewerben. HMIs in der Nähe eines zugehörigen Produkts können eine interessante Informationsquelle darstellen, um den Kaufanreiz zu erhöhen.

Kommunikationshardware

Wie sieht die Kommunikationshardware aus, die hinter diesen HMIs steckt? Leitungsgebundene Infrastrukturen haben ihre Vorteile, da sie sowohl die Stromversorgung als auch eine hohe Datenintegrität ermöglichen. Mit Power-over-Ethernet (PoE) lassen sich Daten und Strom über nur ein Kabel einspeisen, was Kosten und Platz spart. Ein leitungsgebundener Ansatz bedeutet auch, dass weniger Wartungsarbeiten erforderlich sind, da keine zu ersetzenden Batterien im Einsatz sind.

Aber auch Funktechnik ist sicherlich sehr attraktiv. Sie eignet sich sehr gut für die Renovierung/Nachrüstung, bei der das Verlegen von Kabeln mühsam und kostspielig ist – wenngleich sich die Installation einer verkabelten Infrastruktur bei Neubauten weniger problematisch gestaltet. Eine drahtlose Kommunikationsstrategie erleichtert auch die Erweiterung des Netzwerks – sofern dies erforderlich ist. Es ist relativ einfach, weitere Knoten zum System hinzuzufügen. Entscheidend ist die Flexibilität, da die Beschränkung auf eine entweder kabelgebundene oder funkbasierte Technik natürlich nicht ideal ist. Intelligente Technik muss beide Varianten abdecken. Dies ist zwar eine Chance, aber auch ein Hinderungsgrund. Entwickler, die an diesen Installationsvarianten arbeiten, wollen die bestmöglich optimierte Kommunikationstechnik verwenden – basierend beispielsweise auf Kriterien wie Reichweite, Störfestigkeit, SNR, Stromverbrauch und Kosteneffizienz. In vielen Fällen müssen Subsysteme, die unterschiedliche funkbasierte und leitungsgebundene Protokolle verwenden, gemeinsame Steuerelemente aufweisen, wenn ihre Effektivität wirklich maximal ausfallen soll. Bisher war dies eher schwierig zu erreichen.

Auf der folgenden Seite beschreibt der Artikel Optionen für die Datenanbindung und zeigt an zwei Beispielen, wie die Realisierung in der Praxis aussehen könnte.

Optionen für die Datenanbindung

Bild 2: Der Pan-L-Hub unterstützt eine Vielzahl funkbasierter und leitungsgebundener Optionen für die Datenanbindung. Bridgetek

Mit seiner Pan-L-Technologie bietet Bridgetek einen integrierten Ansatz für intelligente Automatisierung in der Smart City. Eine umfassende HMI-Plattform sorgt für eine mühelose Interaktion mit Systemen und lässt sich an die spezifischen Anforderungen der Anwendungen anpassen. Der Benutzer kann die bestehenden Teilsysteme über eine intuitive, berührungsempfindliche (Touch) -HMI steuern, anstatt sich mit separaten Steuereinheiten für jede Funktion befassen zu müssen, die normalerweise ihr eigenes spezifisches Layout besitzen und nicht einheitlich sind.

Bild 3: Die umfassende Pan-L-HMI-Plattform, hier der Pan-L-70-Plus, sorgt für eine mühelose und intuitive Interaktion. Bridgetek

Im Mittelpunkt steht der Pan-L-Hub (Bild 2), der eine Vielzahl verschiedener funkbasierter und leitungsgebundener Datenanbindungsoptionen unterstützt – darunter RS485, Wi-Fi (802.11 b/g/n), Z-Wave, Zigbee, Bluetooth Low Energy (BLE) und Ethernet (einschließlich PoE) sowie proprietäre Protokolle. Damit kann das System mit einer breiten Palette von Hardware interagieren. Für die Haus- oder Gebäudeautomation lässt sich die Beleuchtung oder Heizung über die Bedieneinheit Pan-L 70 anpassen, die mit dem Hub verbunden ist (Bild 3). Damit sehen Nutzer auch, wer vor der Tür steht, die sich dann per Tastendruck öffnen lässt. Über Pan-L-Relay-Controller, die im ganzen Haus verteilt und mit dem Hub verbunden sind, lassen sich AC- oder DC-Lasten ein- und ausschalten, wie beispielsweise Ventilatoren oder Motoren zum Öffnen/Schließen der Vorhänge/Jalousien.

Beispiel vernetztes Gewächshaus

Beim Einsatz der Technologie in einem Gewächshaus lassen sich wichtige Datensätze basierend auf den verschiedenen zuvor genannten Parametern zusammenstellen. Die Daten, die von Sensoren abrufbar sind, lassen sich im Detail durch ein zentrales und mit dem Pan-L-Hub verbundenes Überwachungssystem oder über die kompakten Pan-L-35-HMI-Einheiten, die sich an zahlreichen Punkten im Gewächshaus befinden, näher untersuchen. Alternativ können sich Maßnahmen ergreifen lassen, indem einfach eine Verbindung mit dem System über ein Handheld-Gerät hergestellt wird – mit einer App, die das gleiche Aussehen und Verhalten wie die ortsfesten HMI-Einheiten hat. Damit lässt sich das Licht nach Bedarf einstellen, oder es lassen sich Bewässerungseinrichtungen an den Stellen einschalten, an denen die erfassten Sensordaten anzeigen, dass zusätzliches Wasser benötigt wird.

Interaktives Shopping-Erlebnis

Im Einzelhandel können Käufer, sobald sie mit einer Pan-L-HMI-Einheit interagieren, über den Touchscreen weitere Details zu neuen Produktangeboten erfahren, Preise lassen sich überprüfen,  längere, detailliertere Werbevideos anschauen und andere Vorschläge erhalten, die das ursprüngliche Einkaufsvorhaben unterstützen. Dadurch wird das Online-Shopping-Erlebnis in Bezug auf mehr Funktionen erweitert – allerdings mit dem zusätzlichen Vorteil, das Produkt vor Ort im Laden wirklich zu sehen. Dies wird dazu führen, dass der Einzelhandel, der dem ständig steigenden Wettbewerbsdruck ausgesetzt ist, Zugang zu einer Technologie hat, die er benötigt, um das Verkaufspotenzial während eines Ladenbesuchs zu erhöhen.

Dies sind nur einige wenige Anwendungsbeispiele dafür, wie sich Daten aus funkbasierten und leitungsgebundenen Quellen zusammenführen und dann in einer einzigen HMI-Einheit aufbereiten lassen. Die grundlegenden Technologien dafür sind vorhanden, um die Zukunft der Smart City tatsächlich auszugestalten. Das perspektivische Ziel ist die Integration der verschiedenen daran beteiligten Technologien.

(na)