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Technik für Smart Cities

Wie Funksensoren unsere Städte optimieren

3. August 2022, 13:22 Uhr | Alistair Fulton, Semtech

Vernetzte Sensoren liefern für die Smart City wertvolle Informationen.

Smart Cities tragen durch eine Überwachung des Verkehrs sowie der Luft- und Wasserqualität entscheidend dazu bei, die Lebensqualität der Bewohner zu verbessern und CO2-Emissionen zu senken. Erforderlich hierfür sind zuverlässige, günstige Sensoren in einem robusten, kosteneffizienten Funknetzwerk.

In Städten, die ihre Nachhaltigkeit erhöhen und die Lebensqualität für Bewohner verbessern wollten, gehörten öffentliche Versorgungsunternehmen zu den frühen Nutzern des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT). Mit IoT-Sensornetzwerken ist es möglich, die Effizienz zu verbessern und natürliche Ressourcen besser zu verwalten.

Das Wissen darüber, wie sich wetterbedingte Verhältnisse wie Regen und Wasserstand in Echtzeit ändern, hilft dabei, sich schneller auf potenzielle Gefahren vorzubereiten und darauf zu reagieren, um die Infrastruktur und die Gemeinde besser zu schützen. Vernetzte Sensoren ermöglichen eine solche Datenerfassung, und fortschrittliche Analysen daraus liefern wichtige Erkenntnisse. Für diese Zwecke ist eine Datenanbindung über große Entfernungen nötig, denn die Sensoren sind meist weiter entfernt im Freien oder in rauen, unzugänglichen Umgebungen installiert.

Batterie- beziehungsweise Solarzellen-gespeiste, stromsparende Funksensoren können umfassende Daten für solche IoT-Netzwerke liefern – sei es für die Wasser- und Stromversorgung, für intelligente Gebäude oder die Logistik. Batteriegestützte Sensoren lassen sich an vielen Orten platzieren, um soviele Daten wie möglich bereitzustellen. LPWANs (Low Power Wide Area Network) sorgen für eine Verbindung mit großer Reichweite und einer Batterielebensdauer von Jahrzehnten, was die Kosten für den Aufbau eines Überwachungsnetzes minimiert, da die Batterien nicht regelmäßig ausgetauscht werden müssen.

All diese Daten lassen sich in Datenbanken mit maschinellem Lernen einspeisen, die Muster erkennen und auf Anlagen hinweisen, die auszufallen drohen. Damit ist das genauere Bereitstellen von Ressourcen möglich – ein wesentlicher Bestandteil, um die Nutzung immer knapper werdender Ressourcen zu optimieren und die Lebensqualität der Stadtbewohner zu verbessern.

Laut einem gemeinsamen Bericht des Weltwirtschaftsforums und IoT Analytics erfüllen 84 Prozent der IoT-Implementierungen derzeit die von den Vereinten Nationen festgelegten Ziele der Sustainable Development Group (SDG) für nachhaltige Entwicklung.

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Sensornetzwerke liefern diese verwertbaren Daten in vielen Bereichen der Smart City auf unterschiedliche Weise. Bei den ersten Implementierungen wurden Sub-GHz-Netze für intelligente Straßenbeleuchtung, Luftqualitätssensoren und Verkehrsüberwachung verwendet. Die große Reichweite und der geringe Stromverbrauch des LPWAN-Netzes ermöglichen es, Sensoren dort zu platzieren, wo es am sinnvollsten ist – und sie nicht abhängig von der verfügbaren Stromversorgung oder Datenanbindung zu installieren. Diese Sensoren sind mit Gateways verbunden, die die Daten zur Echtzeitüberwachung in Enterprise-Softwaresysteme einspeisen.

Durch die Reichweite und das robuste Design des Netzwerks sind nur wenige Gateways nötig, um eine Stadt abzudecken. Diese können schnell und einfach an geeigneten Standorten von Stadtverwaltungen, LPWAN-Netzbetreibern oder sogar von Bewohnern mit einem Breitbandanschluss und einem eigenen Gateway eingerichtet werden.

Intelligente Gebäude

Städte müssen die Ressourcennutzung optimieren, da sie in der Regel die meiste Energie verbrauchen und den meisten Abfall erzeugen. Sensoren in intelligenten Gebäuden liefern die Daten darüber, wo die Ressourcen benötigt werden. Die Bereitstellung genauer Echtzeitdaten aus LPWAN-Netzen ermöglicht es Anbietern, einen flexibleren und agileren Managementansatz zu verfolgen und wichtige Entscheidungen auf der Grundlage verwertbarer Daten zu treffen.

Ein Sub-GHz-LPWAN-Netz ermöglicht eine bessere Durchdringung von Gebäuden und hilft Sensoren dabei, die Raumbelegung überwachen. Daraufhin können Gebäudesysteme die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Beleuchtung steuern, um Ressourcen so effizient wie möglich zu nutzen. Mit stromsparenden Verbindungen, die in Europa mit 868 MHz oder in den USA mit 912 MHz arbeiten, versorgen sich diese Sensoren sogar selbst mit Strom, indem sie Licht oder Wärmeenergie aus dem Gebäude nutzen.

Es gibt auch die Möglichkeit, das 2,4-GHz-Band zu nutzen, das auch von anderen Protokollen wie Wi-Fi/WLAN und Zigbee (jetzt Matter) belegt wird. Robuste Protokolle von LPWAN-Netzen mit den Skaleneffekten, die sich aus einem einzigen, weltweit gültigen 2,4-GHz-Design ergeben, können ein kostengünstigeres und zuverlässigeres Überwachungsnetz für das intelligente Gebäude mit batteriegestützten Sensoren bereitstellen.