IoT in der Smart-City und Smart-Region

Draußen in der Natur, in der Landwirtschaft, oder in den Straßen der Großstadt unterhalten sich vermehrt intelligente Gegenstände miteinander über das Internet. Beispiel sind Abfalleimer im Park, oder Glascontainer, die ihren aktuellen Füllstand an die Müllabfuhr melden, oder Straßenlaternen, die freie Parkplätze beobachten. In der Landwirtschaft sind es Messknoten für die Mikroklimadaten im Weinberg, um den Spritzmitteleinsatz auf das notwendige Maß zu reduzieren. Oder der High-Tech-Bienenstock, der den Imker warnt, wenn es seinen Schützlingen gerade einmal nicht gut geht. Innerorts geschieht dies häufig über ein freies WLAN, welches mittlerweile an vielen Orten angeboten wird. Ein Monitoring der Klimafolgen, z. B. der Pegelstände von Flüssen bei Starkregenereignissen, setzt darüber hinaus eine großflächige Datenerfassung vorraus. Auch für mobile Anwendungen und energeautarke Sensorknoten ist der WLAN-Standard aufgrund des Energiebedarfs denkbar ungeeignet (unser WLAN-Interface benötigt ca. 100 mA zum Betrieb). Sind wir mobil unterwegs, so übernimmt das UMTS- oder LTE-Netz der Mobilfunkbetreiber die Verbindung des Smartphones zum Internet.

Was tun ohne Netzabdeckung?

Die oben genannten Einsatzgebiete benötigen keine große Bandbreite, übertragen sie doch nur wenige Bytes an Statusinformation (z.B. Temperatur und Luftfeuchte). Die bestehenden Mobilfunknetze verfügen zwar über eine hohe Netzabdeckung, sind aber gerade für diese Anwendungsszenarien nur bedingt geeignet. Jeder Einwahlvorgang ins UMTS – Netz erfordert einen erheblichen Energieeinsatz und verursacht finanzielle Kosten beim Provider. Insgesamt ein Aufwand, der bei hunderten von Iot-fähigen Geräten, z.B. smarten Mausefallen im Getreidespeicher, schnell ins Geld gehen kann. Deshalb denken die Mobilfunkbetreiber schon seit längerem darüber nach, eine weiteres Netz nur für solche Anwendungen flächendeckend zur installieren. Beim sogenannten Narrow-Band – IoT sollen bestehende Mobilfunkmasten durch einfaches Software-Update neue Kommunikationsmethoden erlernen. Bis es bei uns flächendeckend soweit ist, wird aber wohl noch einige Zeit ins Land gehen.

Was ist LoRaWAN ?

Schneller reagiert da ein Start-up aus den Niederlanden. Die Idee von TheThingNetwork (TTN) ist die Nutzung freier Funkfrequenzen und ein besonderes Funkprotokoll, das LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). 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.

TTN - Mach es doch selbst!

Ganz nach dem Motto „weniger Reden, einfach machen“, sind die TTN-Netzwerker gerade munter dabei, den großen Mobilfunkbetreibern das Fürchten zu lehren. Jeder, der mitmachen möchte, kann ein eigenes Gate betreiben und damit die Reichweite und Abdeckung dieses ersten IoT-Netz erhöhen. Damit gehört das entstehende Netz praktisch der Allgemeinheit (crowdsourcing), jeder kann es für seine Anwendungen kostenfrei nutzen. Jeder der seine Knoten mittels LoRaWAN vernetzen möchte, kann dazu die vor Ort vorhandenen Gate-Ressourcen nutzen, oder, falls notwendig, ein eigenes Gate installieren. Auf diese Weise wächst das Netz dezentral und ohne die Notwendigkeit der Anfangsinvestition z.B. durch Mobilfunkprovider.

Aufgrund der geringen Bandbreite (Bytes/s) und der Fairness-Policity (Duty-Cycle, ein Sensor darf nur 1% der Zeit senden) sind für einen freien Betrieb am heimischen Internetzugang auch keine signifikanten zusätzlichen Betriebskosten zu erwarten.

Surfen lässt sich damit natürlich nicht, aber Umweltmessdaten wie Feinstaub, Niederschlagsmengen oder die Wasserpegel kleinerer Flüsse, lassen sich so einfach für jedermann zugänglich im Internet übertragen und auswerten (citizen-science). Viele dieser aus der Bevölkerung ehrenamtlich heraus betriebenen Forschungsprojekte, wie das Feinstaubmessnetz in Stuttgart, oder die Hochwasservorhersage in den Niederlanden, nutzen mittlerweile das TTN-Netz ihrer Stadt, um Daten energieeffizient zu erfassen.

Auch am Umwelt-Campus betreiben wir ein TTN-Gate, so dass die Kommunikation im Umkreis von ein paar Kilometern um den Standort kein Problem sein sollte (Reichweite abhängig von den örtlichen Verhältnissen, max. 30 km, am Campus ca. 3 km).

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

LoRaWAN als Teil der Daseinsvorsorge

Im Rahmen der IoT-Netze gibt viel mehr versteckte Synergieeffekte zu heben. Die Kommunen sind nicht nur Betreiber der städtischen Infrastruktur, sondern tragen auch die öffentlichen Bildungseinrichtungen. Sei es Schule oder Volkshochschule, beide übernehmen wichtige Aufgaben bei der Aufklärung und Mitnahme der Gesellschaft im Rahmen der digitalen Transformation. IoT ermöglicht völlig neue Ausbildungskonzepte: Beim Internet der Dinge geht es immer um die Verknüpfung digitaler Systeme mit der realen Welt. Was auf den ersten Blick nach trockener Informatik und langweiliger Programmierung am Computer klingt, wird durch das „Ding“ plötzlich „begreifbar“ und entwickelt dadurch eine eigene Faszination. Hier können sich Bürger aktiv an der Ausgestaltung der Digitalisierung in Ihrer Stadt/Region beteiligen. Vorreiter sind die Stadt Herrenberg und die Digitalstadt Darmstadt.

Selbst machen: Umsetzung

Um unseren Octopus ins LoRaWAN-Netz zu integrieren, bedarf es einem entsprechenden Funk-Modems. Hier bietet sich das Feather-Shield von Adafruit an, welches noch mittels eines Dioden-Netzwerks an die begrenzten I/O-Ressourcen des esp8266 angepasst werden muss (Anfängerkurs löten). Zur weiteren Inbetriebnahme sind folgende Schritte nötig:

1. Registrieren bei TheThingsNetwork.org

2. Öffnen der Console im persönlichen Bereich des TTN: Hier gibt es zwei Bereiche, einen für das Management eines ggf. vorhandenen Gateways und einem zur Verwaltung der eigentlichen Anwendungen (Applications, Sensorknoten). Wir wählen letzteres und erstellen mit "add application" eine neue Anwendung.

3. Knoten registrieren: Nachdem die Anwendung erzeugt wurde, können wir jetzt mittels "register device" unseren Sensorknoten einen Namen geben und ihn zur bestehenden Netzwerkstruktur hinzufügen. Die dazu notwendige weltweit eindeutige "Device EUI" lassen wir in diesem Fall durch TTN generieren. Als Resultat erhalten wir im Device-Overview alle EUI-Informationen, die wir zur Erstellung des Octopus-Programms benötigen.

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

4. Ardublock Programm erstellen: Das OTAA-Puzzleteil für unseren Lora-Knoten befindet sich im Baukasten "LoRa-Protokoll". Die notwendigen EUIs für den Anmeldeprozess (Over-the-Air Activation, OTAA) entnehmen wir per "Cut&Paste" von der TTN-Seite (kleines Symbol rechts neben der Zahlenfolge markiert und kopiert die EUI). Wichtig ist die Einhaltung des Duty-Cycles aus der Fairness-Policity, d.h. eine längere Pause zwischen den Datenübertragungen. Über den Port können wir verschiedene Sensorsets in verschiedenen Devices unterstützen (s. Decoder).

5. Echtzeitbetrieb: Nach upload des Programmes meldet sich unser Sensorknoten beim nächsten TTN-Gateway an (Joining) und überträgt seine Informationen zyklisch an unsere Applikation im Backend. Zu beobachten im SerialMonitor des Arduino.

6. Decoder einrichten: Das LoRa-Protokoll ist auf höchste Reichweiteneffizienz ausgelegt und realisiert nur geringe Bandbreiten. Deshalb ist die komprimierte Codierung unserer Nutzdaten essentiell. Das Ardublock-Programm überträgt die physikalischen Sensorinformationen als 24 Bit Integer (Festkomma). Um daraus wieder eine einfach zu interpretierende Fließkommazahl zu generieren, bedarf es im Backend eines kleinen Programmes, dem Decoder. Dieser ist applikationssepezifisch und wird im Menüpunkt "Applications->Umweltsensorik->Payload Format" festgelegt. Ein entsprechender Quellcode findet sich hier. Über die Definition eines Ports können wir verschiedene Sensorsetups unterstützen. Ein anderer Sensorknoten würde z.B. eine andere Portnummer verwenden und ggf. im Decoder anders ausgewertet.

7. Echtzeit Anwendungsdaten:  Die erfolgreiche Datenübertragung ist unter dem Menüpunkt "Applications->umweltsensorik->Data" zu beobachten.

Devicekonfiguration
Angabe einer Bezeichnung für unseren Sensorknoten. Die weltweit eindeutige Device EUI lassen wir automatisch generieren.
TTN-Ardublock
Sämtliche Angaben für den Ardublock können wir per Cut&Paste von der TTN-Seite übernehmen.
Decoder
Die über das LoRa-Funknetz übertragene Information ist komprimiert. Ein Decoder macht aus dem Payload wieder physikalische Größen.
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