IoT in der Smart-City und Smart-Region

1. Ziel des Projekts

Intelligente Geräte wie smarte Abfalleimer, Parkplatzsensoren oder Klimamessgeräte im Weinbau kommunizieren zunehmend über das Internet. Auch Pegelstände an Bächen können bei Starkregen digital überwacht werden.

Öffentliches WLAN eignet sich dafür kaum, da es zu viel Strom verbraucht. Mobilfunk ist zwar flexibel, aber ebenfalls sehr energieintensiv. Ziel ist daher der Einsatz stromsparender Funktechnologien wie LoRaWAN.

Weitere Ziele:

Einführung in drahtlose IoT-Netze wie LoRaWAN™
Sensordaten aus ländlichen Gebieten oder ohne Stromanschluss übertragen
Anmeldung bei TTN und Registrierung eigener Anwendungen
Datenübertragung live beobachten und im Backend dekodieren
Optional: Integration in Cloud-Dienste wie Thingspeak

a. Was tun ohne Netzabdeckung?

Viele IoT-Anwendungen benötigen nur geringe Bandbreite, da sie wenige Daten senden (z. B. Temperatur, Luftfeuchte). Mobilfunk ist oft ungeeignet, da er viel Energie verbraucht und hohe Kosten verursacht. Bei vielen Geräten summiert sich das schnell.

Daher wird an neuen Lösungen wie Narrowband-IoT gearbeitet – einer stromsparenden Technik, die per Software-Update bestehende Mobilfunkmasten nutzt. Der flächendeckende Ausbau dauert jedoch noch.

b. Was ist LoRaWAN™?

LoRaWAN™ ist ein energiesparendes Funknetz für das Internet der Dinge (IoT). Es nutzt freie Funkfrequenzen (z. B. 868 MHz) und erreicht dank langsamer Datenübertragung eine hohe Reichweite – ähnlich wie ein Babyfon, aber für große Flächen mit wenigen Funkstationen (Gateways).

Das Netzwerk basiert auf der Idee des niederländischen Projekts The Things Network (TTN), das LoRaWAN™ weltweit fördert. Die Gateways fungieren als Brücke zwischen Sensoren und dem Internet.Eine aktuelle Karte aller TTN-Gateways zeigt ihre Reichweite und Verbreitung.

2. Erklärvideo

c. TTN – Mach es selbst!

Unter dem Motto „Weniger reden, einfach machen“ baut die Community von The Things Network (TTN) ein freies LoRaWAN™-Netzwerk auf. Jeder kann ein eigenes Gateway betreiben und das Netz kostenfrei für eigene IoT-Anwendungen nutzen – ganz nach dem Prinzip des Crowdsourcing.

Statt hoher Investitionen durch Mobilfunkanbieter entstehen so dezentrale Netze durch freiwilliges Engagement. Wer mag, kann bestehende Gate-Ressourcen nutzen oder selbst ein Gateway aufstellen. Eine Heatmap zeigt den aktuellen Ausbau.

Dank geringer Bandbreite und dem Duty-Cycle fallen kaum laufende Kosten an. Zwar eignet sich TTN nicht zum Surfen, aber es erlaubt die Übertragung von Umweltdaten – z. B. Feinstaub oder Pegelstände – im Sinne der Citizen Science.

Am Umwelt-Campus Birkenfeld wird bereits ein Gateway betrieben. Im Rahmen des BMBF-Projekts „Landleuchten“ sind weitere im Landkreis geplant. Auch im Landkreis St. Wendel entsteht ein öffentliches Bürgernetz auf LoRaWAN™-Basis.

Mitmachstadt — Gerade im Bereich IoT ergeben sich vielfältige Synergien. Wirtschaft, Gesellschaft, Kommune und Bildungseirichtugen profitieren vom offenen LoRaWAN™-Netz.

d. LoRaWAN™ als Teil der Daseinsvorsorge

Immer mehr Kommunen erkennen die Vorteile von LoRaWAN™ für Infrastruktur und Bildung. Schulen und Volkshochschulen übernehmen dabei wichtige Aufgaben in der digitalen Transformation.

IoT macht Informatik greifbar: Wenn digitale Systeme mit der realen Welt verknüpft werden, entstehen neue Lernkonzepte und Begeisterung für Technik. Bürger können sich aktiv an der Digitalisierung ihrer Stadt beteiligen.

Vorreiter sind die Stadt Herrenberg und die Digitalstadt Darmstadt.

3. Was brauchen wir? (Hardware)

Teil	Anzahl	Beschreibung
Octopus-Board oder Arduino	1	mit analogem Anschluss A0
Grove-Kabel oder Jumperkabel	einige	zum Verbinden der Sensoren
USB-Kabel	1	zum Anschluss an den PC
LoRa-Modul (z. B. RFM95)	1	zur Datenübertragung ins LoRaWAN-Netz

4. Selbst machen: Umsetzung

a. Registrierung:
Erstelle einen kostenlosen Account auf TheThingsNetwork.org.

b. Console öffnen:
Gehe in deinen persönlichen Bereich im TTN (Region Europe 1) und wähle „Add application“, um eine neue Anwendung anzulegen.

c. Knoten registrieren:
Wähle „Add end device“, vergib einen Namen für deinen Sensor und lasse die Device EUI automatisch generieren.
Die EUI wird im Device Overview angezeigt – du brauchst sie später für den Octopus-Code.

Hinweis: Für die Verbindung brauchst du ein LoRa-Modul wie das Feather-Board mit Feather Shield. Bei Octopus-Boards ist manchmal ein Anfängerkurs im Löten nötig.

Da der esp8266 nur über wenige I/O-Leitungen verfügt, müssen wir ein Diodennetzwerk auf dem Feather-Shield realisieren. Da auch GPIO 13 genutzt wird, sollten die Neopixel abgeschaltet werden (Jumper SJ9 durchtrennen). Jumperbelegung/Schaltplan unter Menüpunkt "Community".

Login TTN — Login im TTN-Netzwerk und Erstellung einer Applikation.

Zur Anwendung gehören häufig mehrere Devices (Knoten). Hier erstellen wir unseren ersten Knoten.

d. Ardublock-Programm erstellen

Im Ardublock-Baukasten „LoRaWAN™-Protokoll“ wird das OTAA-Element eingefügt. Die EUIs kopierst du direkt von TTN („Cut & Paste“-Symbol). Achte auf Duty-Cycle-Pausen zwischen Übertragungen. Verschiedene Sensorensets werden über unterschiedliche Ports unterstützt (siehe Decoder).

e. Echtzeitbetrieb

Nach dem Hochladen meldet sich der Sensorknoten automatisch am TTN-Gateway an (Joining) und sendet regelmäßig Daten. Diese sind im SerialMonitor sichtbar.

f. Decoder einrichten

Da LoRaWAN™ sehr komprimiert überträgt (z. B. als 24-Bit Integer), brauchst du im TTN-Backend einen Decoder (JavaScript), der die Werte in Klartext umwandelt. Dies geschieht unter: Applications → Umweltsensorik → Payload Format.

g. Echtzeit-Anwendungsdaten

Die gesendeten Sensordaten findest du unter: Applications → Umweltsensorik → Data.

h. Integration einrichten

Für automatische Weiterleitung z. B. an Thingspeak.com kannst du fertige Vorlagen und Decoder nutzen.