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LoRaWan im Smart-City-Einsatz

Drahtlose Sensornetzwerke: Enabler der Datendemokratisierung

20. Juli 2021, 12:30 Uhr   |  Autor: Marc Pegulu / Redaktion: Diana Künstler

Drahtlose Sensornetzwerke: Enabler der Datendemokratisierung
© Semtech

Bei intelligenten Städten geht es nicht nur um Technologie, Sensornetzwerke oder KI. Smarte Gebäude müssen das Leben der Menschen, die sie nutzen, nachhaltig erleichtern. Ein solcher Einsatz unterscheidet sich stark von einem reinen IT-Unternehmensansatz mit Bits und Bytes.

Eine der Schlüsseltechnologien für Smart Cities sind drahtlose Low Power Wide Area Netzwerke (LPWAN). LPWAN ist eine zentrale Technologie für das Internet der Dinge (IoT): Sie ermöglicht einen schnellen und einfachen Einsatz von Sensoren mit geringem Stromverbrauch in intelligenten Gebäuden zum Sammeln von Daten für die Unterstützung der sich dort aufhaltenden Menschen. Dabei kann es um die Überwachung gehen, wie viele Personen sich in einem Raum befinden oder durch ein Gebäude gehen, um Temperatur- oder Kohlendioxidgehalt-Messungen oder die Erfassung beliebiger Daten, die benötigt werden, damit sich die Menschen wohler fühlen. Eine Sammlung und Zusammenführung dieser Daten ist nötig; vor allem aber sind Reaktionen auf ihrer Basis erforderlich, um die Lebensqualität der Menschen in der Smart City zu verbessern. Dies erfordert eine Kombination aus den passenden Sensoren, drahtloser Netzwerktechnologie und Datenmanagement-Tools.

Drahtlose LPWAN-Protokolle wie LoRaWAN machen stromsparende Sensoren möglich, die sich über Jahre oder sogar Jahrzehnte mit einer Knopfzellenbatterie betreiben lassen, wodurch kostspielige Batteriewechsel überflüssig werden. Bei einem drahtlosen, batteriebetriebenen System lassen sich die Sensoren genau dort platzieren, wo sie benötigt werden, und das System lässt sich über große Gebäude oder die ganze Stadt skalieren.

Die hinter dem LoRaWAN-Standard stehende LoRa-Technologie bietet zuverlässige drahtlose Verbindungen in nicht-lizenzpflichtigen Frequenzbändern unter 1 GHz. Diese Sub-Ghz-Bänder erlauben einen Betrieb über große Entfernungen bei geringem Stromverbrauch, wobei das Protokoll eine robuste, zuverlässige Verbindung ermöglicht. Dank dieser Kombination lassen sich drahtlose Sensoren über viele Jahre mit einer einzigen Knopfzelle betreiben. Die Sensoren sind mit einem Gateway vernetzt, das die Daten sammelt und sie in das übergeordnete Netzwerk, das Internet der Dinge, einspeist. Diese Gateways beziehen ihre Energie über das Stromnetz oder Power-over-Ethernet; sie sind mit der Software des Betreibers verbunden, die sich entweder auf dem Firmengelände oder in der Cloud befindet.

Beitrag zur Nachhaltigkeit

Der zunehmende Einsatz von Sensoren und IoT-Verbindungen trägt auch zur Nachhaltigkeit von intelligenten Gebäuden und der gesamten Smart City bei. Sensoren zur Überwachung von Leckagen können den Wasserverbrauch reduzieren und Warnungen liefern, bevor sie zu einem Problem werden, während Sensoren im lokalen Stromnetz auf ähnliche Weise Probleme erkennen können, bevor diese einen Ausfall verursachen.

Die Integration dieser Sensoren in Logistiksysteme bietet Informationen, Komfort und Nachhaltigkeit in der gesamten Smart City. Geräte aller Art lassen sich mit Tags versehen und verfolgen, sodass sie zur richtigen Zeit am richtigen Ort eintreffen und eine optimale Ressourcen-Nutzung ermöglichen. Waren können in Abhängigkeit von Lieferzeiten auf optimalen Routen verschickt werden, um den CO2-Fußabdruck und die Umweltbelastung zu verringern. Kunden können die Pakete verfolgen, um unnötige oder nutzlose Fahrten zu vermeiden.

All dies wird möglich durch den geringen Stromverbrauch der Kommunikationsverbindung. Normalerweise würde der Einsatz von tausenden von Sensorknoten in einem Gebäude einen regelmäßigen Austausch der Batterien erfordern, was mit erheblichen Kosten verbunden wäre. Eine Verlängerung der Batterielebensdauer um Jahre oder sogar ein Jahrzehnt passt die Batterielebensdauer an die Lebensdauer des Sensors selbst an, sodass man beide zur gleichen Zeit austauschen kann. Der geringe Energiebedarf ermöglicht sogar ein Energy Harvesting. Mit LoRaWAN lassen sich die Sensoren über ein kleines Solarpanel, thermische Energie oder sogar über die von Mobiltelefonen abgeleitete Funkenergie versorgen. Dies verlängert die Lebensdauer des Sensors auf mehrere Jahrzehnte – besonders wichtig für Wasser- und Strominfrastruktur. Dabei handelt es sich nicht nur Konzepte, sondern um reale Systeme, die derzeit in Städten rund um die Welt implementiert werden.

„SmartOffice“-System: Einsatz bei Capgemini

So nutzt das globale Beratungsunternehmen Capgemini den LoRaWAN-Standard in seinen Corporate Real Estate (CRE) Services. Mit einer Reihe von Sensoren kann Capgemini die Belegung von Räumen und Arbeitsplätzen überwachen, um eine optimale Belegung sicherzustellen und zu gewährleisten, dass die Gebäude die richtige Größe für die Menschen haben, die sie nutzen.Die Reichweite der LoRaWAN-Sensoren in einem Gebäude beträgt mehr als 50 m. Damit kann ein einziges Gateway 10.000 m² und Tausende von Sensoren abdecken, was die Technologie laut Capgemini kosteneffizient und für große Gebäude skalierbar macht. Die von LoRaWAN verwendeten Sub-Gigahertz-Frequenzen und Protokolle sorgen für eine optimale Durchdringung des gesamten Gebäudes und erreichen selbst in dicht besiedelten städtischen Gebieten Bereiche, die andere Funktechnologien wie Wi-Fi und Bluetooth nicht ohne Störungen oder Verluste abdecken können.

Captgemini hat sein „SmartOffice“-System speziell für das Gebäudemanagement entwickelt und konnte damit seine Immobilienmanagement-Kosten um 10 bis 15 Prozent senken. Alle Daten sind über eine einfache Weboberfläche verfügbar, so dass Gebäudemanager das gesamte Geschehen schnell und einfach verfolgen können. Die Daten lassen sich aber auch für weitere Untersuchungen in eine Analysesoftware einspeisen.

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1. Drahtlose Sensornetzwerke: Enabler der Datendemokratisierung
2. Ein unabhängiges LoRaWAN-Sensornetzwerk

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