Für Entwickler, die an Smart-City-Projekten arbeiten, kommt es darauf an, ihr Design auf ein Netzwerk zu stützen, das eine große Reichweite, sichere bidirektionale Kommunikation und eine Batterielebensdauer von Jahren statt Monaten bietet. Bei vielen aktuellen Projekten, wie den unten aufgeführten, unterstützt das LoRaWAN-Protokoll (Long Range Wide Area Network) den Wandel heutiger Städte hin zu schlankeren und effizienteren Smart Cities.

Eckdaten

Die Zahl der smarten Anwendungen in den Städten nimmt rapide zu. Damit einher geht auch eine erhöhte Nachfrage nach Kommunikationstechnologien – so einfach, effizient und kostengünstig wie möglich. Allerdings ist das kaum möglich, jedoch geht die LoRaWAN-Technologie erste Schritte in diese Richtung und setzt erste nachhaltige Smart-City- und IoT-Projekte um.

In den bevölkerungsreichen und effizienten Städten der Zukunft ist eine nachhaltige Infrastruktur notwendig, um viele Bereiche des Stadtlebens durchdachter zu gestalten. Die Netzabdeckung und Kommunikation der Zukunft basiert auf der intelligenten Umsetzung von Funktechnik sowie der ausgeklügelten Entscheidungsfindung in den Smart Cities. Daher erfordert die fundierte Entscheidungsfindung jeder Stadt eine optimierte Erfassung und Analyse von Echtzeitdaten Tausender vernetzter Geräte. OTA-Updates (Over-The-Air) werden dabei die Millionen von Geräten unterstützen, die im Laufe der Zeit eingesetzt, gewartet und aktualisiert werden, um eine einfache Skalierbarkeit zu gewährleisten. Diese Geräte werden in der Lage sein, Daten für die Bereiche Verwaltung, Energieversorgung, Mobilität, Infrastruktur, Technologie, Gesundheitswesen, die alltäglichen Erfahrungen der Bewohner sowie für andere von Entwicklern und Smart Cities erstellte Anwendungsfälle zu sammeln.

Kosten für die Abfallbeseitigung senken

Intelligente Entscheidungen in Echtzeit können beispielsweise in städtischen Abfallentsorgungsbetrieben die Arbeit messbar verbessern. Südkoreas Hauptstadt Seoul mit ihren Millionen von Pendlern täglich ist ein klassisches Beispiel, wie sich mit LoRaWAN die Kosten für die Abfallbeseitigung minimieren lassen. Die intelligente Überwachung der Luftverschmutzung hat gezeigt, dass die Stadt das Recycling von Abfällen um 46 Prozent steigern und gleichzeitig die Kosten um 83 Prozent senken konnte.

Anwendungsfelder von LoRaWAN in Smart Cities

Mit LoRaWAN lassen sich in Smart Cities verschiedene großflächige Anwendungen wie Personenortung oder Gebäudeautomation umsetzen, ohne dabei andere Kommunikationsnetze unnötig aufzublähen. Semtech

Seouls Müllprobleme begannen damit, dass eine große Zahl von Pendlern und Reisenden auf ihrem Weg durch die Stadt die öffentlichen Mülleimer der Stadt füllten oder überfüllten. Früher hatte Seoul keine Echtzeitdaten über den Füllstand der einzelnen Behälter in den jeweiligen Stadtteilen. Die Lösung für diese Herausforderung bestand in der Installation eines intelligenten Abfallbehälter-Datensystems, was der Stadt ermöglichte, mit einem LoRaWAN-System den Füllstand jedes Behälters und die Effizienz der gesamten Abfallentsorgung zu verfolgen. Diese Vorteile haben in Seoul für weniger Abfall und sauberere öffentliche Bereiche gesorgt. Außerdem konnte die Stadt die intelligente Sammlung von Abfällen auf eine Häufigkeit von 66 Prozent reduzieren.

Schnelles Umschalten auf Solarstrom

In Carson City, Nevada, etwa haben die Verantwortlichen festgestellt, dass ein intelligenter Wechsel der Energieversorgung zwischen dem herkömmlichen Netz und einem Solarenergie-Netz die Lösung für ihre Energieprobleme ist. Die in Carson City eingesetzten Solaranlagen boten zwar einige Vorteile, waren aber auch dem Wind und Schnee des lokalen Klimas ausgesetzt. Angetrieben durch das Smart-City-Denken, installierte die Stadt ein intelligentes Netzwerk, um ein Umschalten zwischen den beiden Energieversorgungsarten sowohl bei Nacht als auch bei bewölktem Himmel oder ungünstigen Tagesbedingungen zu unterstützen. Dieser Umschaltvorgang führte zu einem weitreichenden und zuverlässigen Netzwerk, das Messungen und Entscheidungen in Echtzeit ermöglicht.

Die Verwaltung der Infrastruktur für den Wechsel zwischen herkömmlicher und Solarenergie-Versorgung erfolgt mit LoRaWAN, da diese Technik eine Virtualisierung mit einem für Verantwortliche und Betreiber vor Ort einfachen Zugriff auf Daten und Berichte über mobile Rechner kombiniert. Das Ergebnis dieser Smart-City-Entscheidung führte zu einer Steigerung der Solarstrommenge um bis zu 750.000 kWh. Darüber hinaus ermöglichte das Netzwerk einen optimierteren Einsatz der Arbeitskräfte.

Intelligente Energieeinsparung gemeinsam nutzen

Eine weitere LoRaWAN-Initiative war es, die Kunden für ihren Energieverbrauch und die damit verbundenen Umweltvorteile zu sensibilisieren. Zwei französische Großstädte konnten so etwa die Heizkosten merkbar senken. Lyon und Grenoble sind zwei unabhängige Städte und liegen etwa 100 km voneinander entfernt. Die gemeinsame Nutzung dieser Technik war jedoch ein praktikabler und effizienter Ansatz im Rahmen eines gemeinsamen Smart-City-Denkens.

Durch die Initiative konnten die beiden Städte die Heizkosten um rund 16 Prozent verringern und ihre Bewohner zu einem stärkeren Energiebewusstsein anregen. Die Möglichkeit für die Verbraucher, ihren Stromverbrauch mit einem LoRaWAN-basierten Internet der Dinge (IoT) zu überwachen, ermöglicht ihnen eine bessere Kontrolle über den Energieverbrauch. Verbesserte Echtzeitkenntnisse und -steuerung sorgen für eine Kostenüberwachung und minimieren den Ausstoß von Treibhausgasen.

Um die Beteiligung der Bürger zu fördern, verfügen die LoRaWAN-Plattformen in Lyon und Grenoble auch über ein separates System, das die Bürger finanziell belohnt, sofern sie einen geringeren Energieverbrauch nachweisen können.

Kosten kontra Messgrößen

Aufbau LoRaWAN-Netz mit End-to-End-Security

Bild 1: Gateways unterstützen die bidirektionale Kommunikation und können gleichzeitig Nachrichten von vielen LoRa-basierten Sensorknoten verarbeiten. Jede Sensormeldung wird von allen Gateways innerhalb der Reichweite empfangen, und jedes Gateway kann zwischen acht und 64 Kanäle unterstützen. Damit lassen sich Millionen von Nachrichten pro Tag über ein Netzwerk verarbeiten. Semtech

Die Messgrößen, die auf den LoRa-ICs von Semtech und dem LoRaWAN-Protokoll basieren, zeigen, dass sich die Ziele der Entwickler und die angestrebten Smart-City-Anwendungen umfassend unterstützen lassen. Die LoRaWAN-Gateways leiten in der Regel Datenpakete weiter und senden diese über eine Backhaul-Verbindung, die Ethernet, WLAN, 3G oder 4G/LTE verwenden kann, an einen Netzwerkserver in der Cloud. Die geringen Kosten von Gateways im Vergleich zu Mobilfunk-Basisstationen ermöglichen es, die Kapazität eines LoRaWAN-Netzwerks um zusätzliche Gateways zu erweitern. LoRaWANs decken somit einen weiten Bereich mit einer relativ geringen Bandbreite ab und sorgen für einen geringen Hardware-Aufwand, eine verlängerte Batterielebensdauer und hohe Verbindungsdichte.

Ein Sternnetzwerk auf Basis des LoRaWAN-Protokolls überträgt Daten von internen oder externen Sensoren, die in bis zu 20 km Entfernung angebracht sind, direkt an ein einzelnes Gateway. Trotz der Entfernung arbeitet das Netzwerk ohne die aufwendige Netzabdeckungsanalyse, die für ein Mesh-Netzwerk in derselben Anwendung erforderlich wäre.

Jede Smart-City-Anwendung will auch die Kosten im Griff behalten. Eine LoRaWAN-Anwendung soll niedrige Betriebskosten durch batteriebetriebene Sensoren garantieren, die eine Laufzeit von bis zu 10 Jahren aufweisen. Außerdem entfällt die in GSM-, LTE- oder WLAN-Netzen verwendete Verkabelung der Sensorstromquelle. Mit einem Empfängerstrom von 4,5 mA bieten die aktuellen Mixed-Signal-ICs der SX126x-Serie von Semtech einen geringen Stromverbrauch. Hinzu kommt eine Hochleistungsoption von +22 dBm. Damit verlängert sich die Batterielebensdauer LoRa-basierter Sensoren um bis zu 30 Prozent, was die Häufigkeit des Batteriewechsels verringert.

Eine Auswahl von Betriebsbereichen ist ebenfalls wichtig, um die Flexibilität auf verschiedene Anwendungen auszudehnen. Einige Smart Cities könnten sich für LoRaWAN im nicht lizenzierten ISM-Band entscheiden. Dies bietet minimale oder keine Kosten für das Spektrum, während der Betrieb über einen externen Service zusätzliche Flexibilität für eine niedrige Verbindungsgebühr bietet.

Durch die Zusammenarbeit mit mehreren und konkurrierenden Netzwerkanbietern können Smart Cities die Kosten senken oder das kommunale Netzwerk für das Hosting verschiedener Anwendungen bereitstellen. Dadurch lassen sich Kosten ausgleichen, indem Bandbreite an Unternehmen in der Stadt vermietet wird.

Die von LoRa bereitgestellte robuste Signalisierung kann Daten durch Gebäude hindurch übertragen, um die Abdeckung in dicht besiedelten Smart-City-Gebieten sicherzustellen. Eine Stadt kann so mit einem einzigen Gateway mehrere Gebäude abdecken, die sich in einer Entfernung von bis zu zwei Kilometern befinden und im Vergleich zu anderen funkbasierten Lösungen eine große Reichweite gewährleisten.

LoRaWAN-Netz für die Füllstandserfassung von Mülleimern

Bild 2: LoRa-Sensoren werden in Abfallbehältern platziert, die dann regelmäßig die Füllrate der Behälter melden. Das Gateway sendet Informationen an das Netzwerk, wo die Daten von einem Anwendungsserver analysiert werden. Der Server erstellt eine optimierte Abholroute, die über einen Rechner oder Smartphone an die Fahrer gesendet wird, um so die Behälter anzuzeigen, die geleert werden müssen. Semtech

Neben der sicheren Installation bietet die Smart City auch die Sicherheit integrierter AES-128-Verschlüsselung und die Flexibilität eines nahtlosen und skalierbaren Netzwerks. Die Unterstützung durch das LoRa-Ökosystem stellt mehrere Ressourcen bereit, wobei die LoRa-Allianz Sensoren und andere Geräte für die Interoperabilität zertifiziert.

Den Nutzen messen

Die Entwicklung von Netzwerken und Systemen für effizientere, bevölkerungsreiche Smart Cities erfordert kreatives Denken von Entwicklern und Stadtverwaltungen. Gegenwärtig gibt es 14 Kategorien, die die International Standards Organisation aufnahm, um die Messgrößen von Netzwerkinitiativen abzudecken.

Die zunehmende Verbreitung der Smart-City-Technik kann das Know-how und die Effizienz in vielen Bereichen verbessern. Dazu gehört auch die Straßenbeleuchtung, Wartung von Ampeln, vorausschauende Wartung, Überwachung/Steuerung des Verkehrsflusses, Parkraumbewirtschaftung und vieles mehr. Aufgrund der Zuverlässigkeit, großen Reichweite und hohen Batterielebensdauer, die LoRaWAN ermöglicht, wird diese Liste in Zukunft immer länger.

Während die Weltbevölkerung immer größer wird, müssen Entwickler und Smart-City-Verantwortliche die verschiedenen Möglichkeiten der intelligenten Datenerfassung und Steuerung sorgfältig prüfen. Nur wenn die richtigen Entscheidungen zur richtigen Zeit getroffen werden, ist ein effizientes Netzwerk in der Lage, Daten von Tausenden vernetzter Geräte zu erfassen und zu analysieren.