Drahtlose Lösungen für voll vernetzte Städte der Zukunft

Wie können unsere Städte in Zukunft smarter werden? Mit IoT (Internet of Things) steht eine wichtige Kommunikationsbasis zur Verfügung: Alles, was verbunden werden kann, wird vernetzt. Dabei gilt es jedoch einige Probleme aus dem Weg zu räumen. Die passenden Technologien dazu stehen bereits zur Verfügung.

Ob Wasser, Strom oder Gas: Nicht zu jeder Messstelle oder zu jedem Zähler der Städte kann zur Fernablesung oder Kontrolle ein Netzwerkkabel verlegt werden. Das wäre schlichtweg zu aufwendig und teuer. Doch wie lassen sich solche Lokationen kostengünstig und nachhaltig einbinden? Einen möglichen Ansatz dafür bieten sogenannte LPWAN (Low Power Wide Area Networks). Sie überbrücken auch große Entfernungen, verbrauchen sehr wenig Energie, lassen sich kosteneffizient implementieren und sind nahezu unbegrenzt skalierbar. Axel Sikora, Chairman der Embedded World Conference, bringt es auf den Punkt: „Das schönste Beispiel sind aus meiner Sicht aktuell energieautarke Systeme. Also Systeme, die ihre Energie über Energiewandler (z. B. aus Druck, Licht, Temperatur) aus der Umgebung ziehen und sich damit selbst versorgen. Das ist für mich das perfekte Beispiel für ein nachhaltiges eingebettetes System, das eigentlich unendlich lang betrieben werden kann, ohne Ressourcen zu verschwenden.“

Städte und Anlagen: Kritische Schraubverbindung stets im Blick

Wie das in der Praxis aussehen kann, zeigt das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS). Die Forschenden haben eine intelligente Schraubverbindung zur zuverlässigen Fernüberwachung von kritischen Schraubverbindungen entwickelt. Sie enthält einen Sensor zur Messung der Vorspannkraft und Schaltkreise zur Kommunikation dieser Daten. Q-Bo ist ein vollintegriertes energieautarkes IoT-Device zur Überwachung der Vorspannkraft, das Daten über das standardisierte LPWAN-Funkprotokoll Mioty – ebenfalls bei IIS entwickelt – überträgt. Lockere Schrauben als erhebliches Sicherheitsrisiko bei Kränen, Baugerüsten, Hochhäusern, Brücken, Windkraftanlagen, in Produktionsanlagen, an kleinen und großen Maschinen lassen sich so rechtzeitig erkennen. Q-Bo arbeitet mit dem Prinzip des Energy Harvesting. Hierbei werden Wärme oder Licht aus der Umgebung zur Stromerzeugung genutzt.

Internet of Things (IoT) – Ausbildung hinkt Entwicklungen hinterher

Arbeitserleichterung am Münchner Flughafen

Ein Mioty-Netzwerk kommt auch auf dem Gelände des Münchner Flughafens zum Einsatz. „Durch Mioty wird ein stabiles zukunftsfähiges IoT-Netzwerk im Rahmen der Future Airport Aktivitäten verwirklicht“, sagt Julian Rott, Projektleitung Digitalisierung, Flughafen München GmbH. Der Franz-Josef-Strauß-Flughafen betreibt eine vierstellige Anzahl von Wasserverbrauchszählern verschiedener Hersteller aus unterschiedlichen Produktgenerationen. Diese Zähler mussten zuvor zeit- und personalintensiv manuell abgelesen werden. Mit den seit 2019 installierten Mioty-Basisstationen wird der gesamte Flughafen vollständig und stabil abgedeckt. Die mit zusätzlichen Sensoren ausgestatteten Wasserverbrauchszähler übertragen jetzt stündlich ihre Messwerte verschlüsselt an eine zentrale Plattform.

Deutschland: Bei der Digitalisierung der Städte ist noch viel Luft nach oben

Weitere Anwendungen im Flughafenumfeld wie die Überwachung der kritischen Infrastruktur werden in dem Projekt Skamo (Skalierbares Anlagenmonitoring in großen Liegenschaften) erprobt. „Die Vorteile von Mioty sind die extreme Robustheit, wodurch bis zu 50 % Paketverluste wiederhergestellt werden können, eine hohe Skalierbarkeit, die Optimierung für lange Batterielebensdauern von typisch 15 Jahren und die Erfassung von Daten mobiler Objekte“, so András Gnandt, Produktmanager Silicon Labs, bei der Vorstellung der Chiplösung EFR32FG23, in die der komplette Mioty-Protokollstack implementiert wurde. Diese mobilen Objekte könnten bis zu 120 km/h schnell fahren oder fliegen, ohne dass die Übertragung scheitert.

Städte: München auf dem Weg zur Smart City

In der Stadt München selbst funktioniert ebenfalls bereits vieles vollautomatisch. Die Stadtwerke München (SWM) betreiben ein flächendeckendes LoRaWAN (Long Range Wide Area Network, s. Kasten) mit 58 Gateway-Standorten. Ein weiterer Ausbau des Funknetzes im Großraum München soll bis Ende 2023 umgesetzt werden. Damit lassen sich vielfältige Anwendungen realisieren. Sie reichen von der Energieverteilung, Füllstands- sowie Maschinenüberwachung über die Güterverfolgung, Verbrauchserfassung. Auch im Gebäudemanagement, bei Umweltmessungen und in der Wasserversorgung kommt die Technik zum Einsatz. Das mit LoRa realisierte digitalisierte Wasserverlustmanagement führt zu einer nachhaltigen Reduzierung von Wasserverlusten durch schnelle Leckageerkennung im Trinkwassernetz. Die Überwachung von Trafostationen erfolgt durch die ständige Übertragung von Messwerten wie Kurzschluss, Strom, Spannung, Temperatur und Bewegungsmelder.

Darüber hinaus öffnen die Stadtwerke in München ihr LoRaWAN für Dritte, insbesondere für innovative Projekte aus dem Smart-City-Umfeld.