Modul 5 - Open Data: Daten für Jedermann

Die Plattform Thingspeak, die wir in Modul 4 kennengelernt haben, ermöglichte uns, unsere Daten im Internet bereitzustellen. Es gibt auch Alternativen zu Thingspeak, die ein besonderes Merkmal aufweisen: alle Daten sind stets für Jedermann zugängig. Warum das für manche Daten Sinn macht und wie man dadurch Bestandteil einer kreativen Gemeinschaft wird, erfährst du im folgenden Modul.

Das Problem

Der Sommer steht vor der Tür und an der Mosel gibt es verschiedene Stellen an denen man baden kann. Direkt an der Mosel, an Badeseen oder in unterschiedlichen Schwimmbädern. Leider ist es an manchen Badeorten deutlich kälter als an anderen, da sie nicht den ganzen Tag von der Sonne erreicht werden. Damit alle Bewohner der Region die Möglichkeit haben, die Wasser- und Lufttemperaturen der unterschiedlichen Badeorte zu überprüfen, bittet uns die Kreisverwaltung, ein Gerät zur Überprüfung dieser Daten zu entwerfen und dieses an öffentlich zugänglichen Badestellen anzubringen. Jeder Bürger soll von zu Hause aus schauen können, an welchen Orten die perfekte Badetemperatur herrscht.


Überlege, wie man die Daten für jeden Anwohner frei zur Verfügung stellen kann? 

Wie können wir das Problem lösen?

Die in der Thingspeak-Cloud gespeicherten Daten können wir über das "Make-Public"-Flag allen Interessierten weltweit zugänglich machen. Wir tragen damit einen kleinen Teil zur Open Data - Bewegung bei, deren Mission es ist, möglichst viele Daten für jedermann zugänglich und nutzbar zu machen. Nur leider lassen sich unsere Daten nur schwer finden. Wer nicht die URL des Thingspeak-Kanals kennt, der hat keine Ahnung von der Existenz und dem Kontext unserer Daten

 

Thingspeak bietet sich nicht an, da auch ortsbezogene Daten preisgegeben werden sollen. Zudem sind die Daten nicht grundsätzlich für jedermann frei zugänglich

Umweltinformationen mit Raumbezug

Bei Umweltdaten haben wir in der Regel auch einen räumlichen Aspekt, der bei Thingspeak nur rudimentär berücksichtigt wird. Dieser hilft bei der Suche und Zuordnung der Daten. Ein solcher Bezug ist die Anwendungsdomäne für Umwelt- und Geoinformationssysteme. Diese ordnen die Daten gemäß der Koordinaten auf einer Landkarte ein und bieten so einen schnellen Zugang. Über diese Karte haben wir direkten Zugriff auf die jeweiligen Informationen. Zwei in Deutschland weit verbreitete Dienste werden im Folgenden durch die IoT-Werkstatt unterstützt:

Luftdaten.info betrieben durch das OK Lab (siehe Abbildung 1)

Das OK Lab Stuttgart widmet sich mit dem Citizen Science Projekt luftdaten.info der Feinstaub­messung. Tausende von Paten weltweit installieren selbst gebaute Messgeräte an der Außenwand ihres Hauses. Aus den übermittelten Daten generiert luftdaten.info eine sich ständig aktualisierende Feinstaub-Karte. So wird Feinstaub sichtbar…

OpenSenseMap.org betrieben von sensebox.de (siehe Abbildung 2)

Das Team des Schüler- und Forschungslabors GI@School am Institut für Geoinformatik sammelt seit mehreren Jahren praktische Erfahrung in Workshops mit Schülern und Lehrern. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Datenerhebung mit selbstgebauten Sensorstationen einen besonders zugänglichen Weg bei der Arbeit mit Geoinformation und Umweltdaten bietet. Ganz nebenbei werden Kompetenzen in der Programmierung auf eine sehr anschauliche Art und Weise vermittelt.

Abbildung 1 Die Daten können auf luftdaten.info positionsbezogen angezeigt
Abbildung 2 Auch auf OpenSenseMap.org können die Daten ebenfalls positionsbezogen dargestellt werden
Umsetzung: Luftdaten.info

Zuerst möchten wir Teil des Feinstaub-Netzwerks Luftdaten.info werden. Das OK-Lab bietet dazu eine eigene Open-Source-Firmware für die verteilten Sensorknoten. Diese Firmware ist esp8266 basiert und damit Octopus-kompatibel. Aber natürlich möchten wir auch hier etwas tiefer unter die Motorhaube schauen und unsere Datenlogger-Anwendung selber mit IoT-Ardublock realisieren. Das hat u. a. den Vorteil, dass wir nebenbei noch andere Cloud-Plattformen bespielen oder parallel weitere Automatisierungsaufgaben realisieren können.

1. Registrieren unter https://meine.luftdaten.info/register 

2. Sensor-ID ermitteln: Das Portal verwaltet alle Sensorknoten über eine weltweit eindeutige Sensor ID. Bei unserem esp8266 wird diese als ChipID direkt vom Mikrocontroller geliefert. Wir müssen also als erstes die ChipID unseres Octopus erfahren. Dazu einfach den entsprechenden OpensSenseMap-Baustein aus dem "HTTP-Protokoll" verwenden und den Logger gemäß der unten dargestellten Abbildung (ohne Angabe der vollständigen Sensor ID, denn die kennen wir noch nicht) realisieren. Die Ausgabe am SerialMonitor liefert dann die Sensor ID unseres Octoptus (siehe Abb. 3).

3. Anmeldung des Sensors: Ist die Sensor ID bekannt, so können wir unter https://meine.luftdaten.info/sensors einen neuen Sensor registrieren.  Unser Knoten besteht aus dem internen BME 280 / 680 und ggf. einem externen Feinstaubsensor (rechte Grove-Buchse, HM3301, I2C). Hinweis: das Ardublock-Modul funktioniert auch ohne exteren Sensor, dann natürlich ohne Feinstaubmessung. Auf der angebotenen Landkarte bitte gleich den zukünftigen Standort des Sensors festlegen (siehe Abb. 4).

4. Echtzeitbeobachtung: Nach kurzer Zeit erscheint unser Sensor auf der Landkarte von luftdaten.info (siehe Abb. 5).  

Abbildung 3 Der Sensorknoten kommuniziert mit dem Cloud-Dienst. Die Sensor ID wird automatisch durch den esp8266 bestimmt. Weltweit hat jeder esp8266 eine andere ChipID
Abbildung 4 Die so ermittelte ChipID muss bei der Registrierung des Sensorknotens angegeben werden. Außerdem ist der BME 280 und ggf. ein Feinstaubsensor auszuwählen
Abbildung 5 Der Standort des Sensors wird direkt auf einer Karte festgelegt
Umsetzung: OpenSenseMap.org

Der Dienst OpenSenseMap.org bildet das Rückgrat des SenseBox-Netzwerkes. Eine SenseBox bildet eine konfigurierbaren Sensorknoten zur Messung verschiedener physikalischer Größen. Natürlich kann unser Octopus auch die Funktion einer solchen Box übernehmen und wirkt dann als Teil dieses Netzwerks.

1. Registrierung unter https://opensensemap.org/register (siehe Abb. 6)

2. SenseBox anlegen: Ähnlich wie bei Luftdaten.info definieren wir auch bei unserem OpenSenseMap-Account den Standort unseres Sensorknotens auf einer bereitgestellten Karte. Als Hardware wählen wir die "senseBox:home" (based on Arduino/Genuino Uno) mit WiFi und den Feinstaubsensor (Fine particulate matter (dust)). Am Ende des Registrierungsprozesses haben wir auf der letzten Seite alle Informationen zusammen, die wir zur Anmeldung des Octopus benötigen. Den dabei generierten Arduino-Code können wir ignorieren - wir haben ja Ardublock. Wir benötigen nur die senseBox-ID und die jeweiligen Sensor-IDs zur Konfiguration des Blockes.

3. Programmieren: Ardublock anlegen und die gesammelten IDs an den entsprechenden Stellen per 'Cut&Paste' einfügen. Das OpenSenseMap-Modul befindet sich unter "HTTP-Protokoll". Eine entsprechende Pause im deep sleep sorgt für eine an die Dynamik der Umweltdaten angepasste Übertragung (siehe Abb. 7). 

4. Live-Daten: Nach Upload unseres Programmes registriert sich unser Sensorknoten im Netzwerk und nach kurzer Zeit erscheint unsere Sensorinformation auf der Landkarte.

Abbildung 6 Da wir in der Arduino IDE programmieren, können wir bei der Registrierung auch den Arduino als Mikrocontroller wählen
Abbildung 7 Bei OpenSenseMap werden die IDs wärend der Registrierung der senseBox zentral vergeben. Diese IDs tragen wir im Ardublock Programm ein
Was können wir noch tun? (optional)

Wie erhält unser Gerät Strom

Abb. 8 Eine Powerbank mit Solar-Panel eignet sich besonders gut für unterwegs. Geht der Octopus in den den Deep Sleep, reicht ein Akku für mehrere Tage (Quelle: conrad.de)

Damit der Octopus auch unterwegs mit Energie versorgt werden kann, benötigen wir eine Alternative zum USB-Ladekabel. Am besten eigenet sich hierfür eine Powerbank mit Solar-Panel (vergleiche Abbildung 8). Auf diese Weise kann sich die Batterie während des Betriebs ein wenig aufladen. So kann der Octopus mehrere Tage mit Energie versorgt werden, ohne den Akku zu wechseln. Du kannst die Dauer vergößern, wenn du den Deep Sleep verwendest (vergleiche Modul 7). Alternativ kannst du ein Batteriefach oder einen Lithium-Ionen-Akku an den Octopus löten. Diese Varianten reichen je nach Größe jedoch nur für wenige Stunden.

Wie versendet unser Ding die Daten ohne WLAN

Abb. 9 Das LoraWAN Shield auf dem Octopus

Auch unterwegs müssen unsere Daten an die Cloud gesendet werden. Hier steht jedoch in den meisten Fällen kein WLAN zur Verfügung. Als Alternative eignet sich dafür das LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), ein besonderes Funkprotokoll, das freie Funkfrequenzen nutzt. Der Trick dabei ist, die Daten ganz langsam zu übertragen und damit trotz geringer Sendeleistung eine hohe Reichweite der Funksignale zu erreichen. Hohe Reichweite bedeutet, es bedarf weniger Funkstationen (Gates) zur Abdeckung größerer Gebiete. Die Sendeleistung entspricht dabei etwa der eines herkömmlichen Babyfones. LoRaWAN ist ein auf freien (kostenlosen) Frequenzen (z. B. 868 MHz) basierendes IoT-Netzwerk mit guter Gebäudedurchdringung und geringen energetischen Leistungsanforderungen. Zentrales Element der Architektur sind LoRaWAN- Gateways als transparente Brücke zwischen Endgerät (Sensorknoten) und einem zentralen Netzwerkserver. Diese Gates lauschen auf den LoRa-Frequenzen und leiten jede empfangene Nachricht an ein Backend im Internet weiter. (für mehr Informationen klicke hier).

Ein passendes Gehäuse

Abb.10 Regengeschützt und mit "Solarantrieb" ist ein autarker Outdoor-Betrieb möglich. (Foto: G. Burger).

Damit der Octopus vor Wind und Wetter geschützt ist, benötigen wir ein Gehäuse für die Elektronik. In Abbildung 9 siehst du eine von vielen Möglichkeiten, um den Octopus zu schützen. Ein Plastik-Vogelhäuschen bekommt man bereits für wenige Euro. Hier lässt sich sich auch ein Solar-Panel anbringen, um eine Powerbank oder einen Akku aufzuladen.

Fachliche Informationen (optional)

Was ist die Open Data Bewegung?

Die Open Data Bewegung setzt sich für die Idee ein, Daten öffentlich frei verfügbar und nutzbar zu machen. Neben  Umwelt- und Wetterdaten, Geodaten, Verkehrsdaten, Haushaltsdaten, den Statistiken, Publikationen, Protokollen, Gesetzen, Urteilen und Verordnungen, interessiert sich die Bewegung für Potentiale, die sich hinter den Daten, die Behörden und Ministerien, Parlamente, Gerichte und andere Teile der öffentlichen Verwaltung produzieren, verbergen.  

"Heute gilt Open Data zum einen als Versprechen für mehr Transparenz und Partizipation für die Bürger, zum anderen als Treiber für Innovation und wirtschaftliche Entwicklung. Zudem soll es die Akzeptanz für Verwaltungsabläufe stärken und das Vertrauen in die öffentliche Verwaltung erhöhen. Aktuell existieren weltweit mehr als 2600 Open Data Portale, die von Verkehrsdaten, über Umweltdaten bis hin zu Geodaten eine Vielzahl von Datensätzen kostenlos zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen. Die Europäische Union hat in Kooperation mit Institutionen aus Wissenschaft und Forschung 2015 das European Data Portal präsentiert, das in Zukunft als zentraler Zugangspunkt zu allen Daten der europäischen Mitgliedstaaten fungieren soll." (vergleich Bitkom)

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