LoRaWAN as a Common Technological Basis for Public Service Platforms in Lisbon

Die Forscher Nuno Cruz, Nuno Cota and João Tremoceiro integrieren ein stadtweites LoRa-Netzwerk, das alle öffentlichen Dienstleistungsnetze verknüpfen wird. Quelle aller Zahlen und Fakten in diesem Artikel: Cruz, Nuno, Nuno Cota, and João Tremoceiro. 2021. „LoRaWAN and Urban Waste Management—A Trial“ Sensors 21, no. 6: 2142.

LoRaWAN: Herzstück der Smart City

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6 Min
29. September 2021
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Initiative „Intelligentes Lissabon“

Die Initiative „Intelligentes Lissabon“ zielt darauf ab, sämtliche öffentlichen Dienstleistungen der Smart City auf einer Netzwerkplattform zu integrieren

Seit 2016 hat ein Forscherteam des FIT (Future Internet Technologies), eine interdisziplinäre Forschungsgruppe des ISEL (Institut für Ingenieurwesen Lissabon), verschiedene Netzwerkoptionen getestet, um Anforderungen und Richtlinien für die öffentliche Ausschreibung eines umfangreichen Netzwerks in Lissabon zu etablieren.

Die Stadtverwaltung von Lissabon (CML) hat FIT/ISEL aufgetragen, die technologischen Möglichkeiten einer gemeinsamen Plattform zur Integration verschiedener öffentlicher Dienstleistungsnetzwerke zu erforschen. Die Gesetzgebung in Portugal sieht bei öffentlichen Ausschreibungen eine maximale Vertragslaufzeit von drei Jahren vor. Dies betrifft öffentliche Dienste wie das Abfallmanagement, die Feuerwehr oder das Gesundheitswesen.

Bei Vertragsablauf werden die benötigten Dienstleistungen neu ausgeschrieben. Die Übernahme von kosteneffektiveren und progessiveren Lösungen und Produkten kann alle drei Jahre erfolgen. Regelmäßige Anbieterwechsel, wie zum Beispiel bei den Herstellern von Sensoren im Abfallmanagement, werden durchgeführt.

Ein Nachteil: Kontinuierliche Anbieterwechsel erfordern immer wiederkehrenden Installationsaufwand. Kostenintensive oder anderweitig aufwendige Anpassungen sind die Folge. Seperates Intranet der Dienstleistungsbereiche verkompliziert die Zusammenarbeit. Die Kooperation zwischen FIT/ISEL und CML formte die Basis der Initiative Lisboa Inteligente (Intelligentes Lissabon), um ein Konzept für eine dienstleistungsübergreifende Netzwerkbasis zu erarbeiten.

Intelligentes Lissabon

Das Vorgängersystem erfasste nur die Füllstände von Abfallbehältern mithilfe von 2G-Technologie. Das neue LoRa-Netzwerk soll nicht nur das Abfallmanagement, sondern auch andere öffentliche Dienste, beispielsweise das Gesundheitswesen oder Feuerwehr, auf einer gemeinsamen Plattform zusammenführen.

Abfallmanagement und sensorische Containerfüllstandsmessung

Herausfordernster Use Case stellt LoRaWAN auf die Probe

IoTsens-Sensoren erfüllen die Anforderung der hohen Lesereichweite in unterirdischen Containern. Eine erschwerte LoRa-Datenübertragung in der Umgebung von unterirdischen Containern wurde mithilfe von LoRa-Sonden nachgewiesen.

Metallumhausung der unterirdischen Container sowie Straßenpflaster beeinträchtigen die Datenübermittlung vom Sensor zum LoRa-Gateway.

IoTsens-Sensoren

Unterirdische Container wurden mit Ultraschallsensoren von IoTsens zur Füllstandsmessung ausgerüstet. Die Sensoren erreichen eine Lesereichweite von bis zu sieben Metern und kosten 300 Euro.

2G-System wird abgelöst

Bestehende Abfallmanagementsysteme in Lissabon basierten auf 2G-Technologie. Eine optimierte Routenplanung für Müllwagen sowie die Containerfüllstandsmessung wurden mithilfe des Altsystems durchgeführt. Das Abfallmanagement wurde als der schwierigste Use Case für die Implementierung von LoRaWAN betrachtet.

Aufgrund dieser Herausforderungen wurde diese Dienstleistung für den Feldversuch ausgewählt, da eine funktionsfähige Implementierung von LoRaWAN in diesem Bereich auf andere Dienste übertragen werden konnte. Bereits existierende Bohrlöcher auf unterirdischen Containern wurden zur Anbringung der LoRaWAN-fähigen Sensoren wiederverwendet. An diesen Bohrlöchern waren zuvor Sensoren eines vorherigen Anbieters montiert.

Abfallcontainer

Suche nach einer einfach anwendbaren Lösung

Die Dämpfung der Metallvorrichtung und des Straßenpflasters war so stark, dass der derzeitige Anbieter die Container modifizieren musste. Es wurden Löcher in den Container gebohrt, um eine externe Antenne anzubringen und die Signalübertragung zu ermöglichen (schwarzer Sensor oben Links). Durch diese Art von Modifikation ist der Container nicht mehr Wasserdicht.

Die geplante LoRa-Lösung soll ermöglichen, dass etwaige Modifikationen der Container in der Anbringung von Sensoren wegfallen. Der Übergang zwischen Anbietern soll mit der Implementierung eines gemeinsamen Dienstleistungsnetzwerks vereinfacht werden.

Abfallcontainer

Simulation des staatlichen Beschaffungswesens

Auswahl des für den Use Case passenden Sensors

Die Forschungsgruppe erwarb unterschiedliche Sensoren, um den Prozess des staatlichen Beschaffungswesens zu simulieren. Im Use Case der oberirdischen Container benötigen die Sensoren keine so hohe Lesereichweite wie in den unterirdischen Containern. Aufgrund der Containerumgebung und der niedrigen Containerhöhe wurden robuste Sensoren mit einer Lesereichweite von bis zu zwei Metern benötigt. Dingtek-702 Sensorenwurden für den Use Case der oberirdischen Container ausgewählt.

Cyclea-Container (blau) und der Iglô-Container (grün)

Der Cyclea-Container (blau) und der Iglô-Container (grün) werden in Lissabon für wiederverwertbare Abfälle und Glas verwendet. Ultraschallsensoren wurden im Inneren angebracht, um die Entfernung zwischen der Containerspitze und dem Abfall zu messen und somit den Füllstand anzuzeigen.

Sensoren für oberirdische Container

Oberirdische Container wurden mit Dingtek702 Ultraschallsensoren zur Füllstandsmessung ausgerüstet. Diese Sensoren verfügen über eine Lesereichweite von bis zu vier Metern und kosten 70 Euro. Sämtliche Sensoren in sowohl oberirdischen als auch unterirdischen Containern wurden mithilfe von Metallteilen angebracht.

Obwohl Metall sich negativ auf die Datenübertragung und damit auch auf die Signalqualität vom Sensor zum LoRaWAN-Gateway auswirkt, wird eine robuste Anbringung benötigt, die diesen Einfluss auf die Signalqualität unumgänglich macht. Im Abfallmanagement sind die Sensoren externen Erschütterungen, zum Beispiel während der Müllabholung, ausgesetzt.

Sensoren für oberirdische Container

Sensor Mounting

Dingtek702 Sensoren wurden in Containern für wiederverwertbare Abfälle und Glas angebracht. Die Anbringung der Sensoren erfolgte auch in diesem Use Case mit bereits existierenden Bohrlöchern vorheriger Anbieter.

Dingtek702 Sensoren

Feldversuch zur Implementierung von LoRa-Kommunikation

Limit-Testing für LoRaWAN in Lissabon

Die LoRaWAN-Technologie und LoRaWAN-Gateways wurden auch aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs ausgewählt. Im Feldversuch von FIT/ISEL wurde die Qualität der Datenübertragung von den Sensoren zu den Gateways über verschiedene Entfernungen gemessen.

LoRaWAN in Lissabon

Sensoren wurden an unterirdischen Containern (RU) an den Standorten ISEL, Spacio Shopping and Belém in Lissabon angebracht um die Kapazitäten der LoRa-Technologie über jeweils kurze (100m), mittlere (1km), und lange Entfernungen (5km) zu erproben.

Implementierung von LoRaWAN im schwierigsten Use Case

Zwei LoRa-Gateways wurden in Lissabon installiert, um die Signalübertragung von den installierten Dingtek702 und IoTsens-Sensoren zu messen. Die Gateways wurden von verschiedenen Herstellern gefertigt. Die Montage der Gateways erfolgte in Höhenlagen von jeweils 100 Metern und 175 Metern über dem Meeresspiegel an den Standorten ISEL und Amoreiras.

Die Sensoren wurden auf Entfernungen von 100 Metern, 1 km und 5 km von den Gateways installiert und an den Abfallcontainern angebracht. Es wurde erwartet, dass die Kommunikation auf kurzer Entfernung definitiv funktionstüchtig und auf weiter Entfernung höchstwahrscheinlich nicht funktionstüchtig sein würde. Die Bestimmung der Kapazität von LoRa auf mittlerer Entfernung sollte durch den Feldversuch erforscht werden.

Zwei LoRa-Gateways

Abdeckung des stadtweiten LoRa-Netzwerks

Die Forschung zielte darauf ab, die notwendige Abdeckung des stadtweiten LoRa-Netzwerks für oberirdische und unterirdische Container sowie die dafür benötigte Anzahl an Gateways zu ermitteln. In der Abfallversorgung wird die Signalqualität und Datenübertragung durch die Umgebung besonders erschwert. Eine erfolgreiche Implementierung von LoRaWAN im Abfallmanagement könnte auf andere Dienstleistung mit weniger Störfaktoren übertragen werden.

Signalübertragung

Forschungserkenntnisse legen Ausschreibungsregeln für Smart City Netzwerk in Lissabon fest

LoRa-Datenübertragung von unterirdischen Containern über kurze und mittlere Distanz erfolgreich empfangen

Die Gateways bei ISEL empfingen Daten von Sensoren, die in unterirdischen Containern auf kurzer und mittlerer Entfernung angebracht waren. Der Gateway bei Amoreiras empfing keinerlei Signale von den am weitesten entfernten Sensoren. Nach der Hälfte der Testphase fiel der Gateway bei ISEL aus und musste ersetzt werden.

Die Messungen deuten auf eine zuverlässige Datenübertragung hin, die den steigenden Füllzustand durch eine immer weiter reduzierte Entfernung zwischen Sensor und Abfall andeutet. Der Anstieg der Messdistanz ist auf die Containerleerung zurückzuführen. Die hohe Anzahl an Messungen bei einem Spreading Factor von 12 deutet auf die automatische Optimierung des Verhältnisses zwischen der Datenübertragungsrate, Betriebszyklus und Energieverbrauch hin.

Ein niedriger Spreading Factor benötigt geringere Dämpfung. Die Metallumgebung der Container erzeugt jedoch eine hohe Dämpfungswirkung, die einen entsprechend hohen Spreading Factor benötigt um Signale zu übermitteln.

LoRa-Datenübertragung

Signale, die vom unterirdischen Container bei Spacio Shopping (mittlere Entfernung, 1km) an den Gateway bei ISEL übertragen wurden, geben eine sich verringernde Entfernung basierend auf dem Füllstand an. Die ADR (Adaptive Data Rate) optimiert die Übertragungsrate indem von einem niedrigeren zu einem höheren Spreading Factor (SF10 zu SF12)gewechselt wird.

LoRa Sonden

LoRa Sonden wurden eingesetzt um die Signalstörungen durch das Behältermaterial sowohl bei oberirdischen als auch bei unterirdischen Containern zu ermitteln.

Forschungserkenntnisse steuern Lissabon in Richtung eines öffentlich zugänglichen LoRa-Netzwerks

Auf Basis der Forschungsarbeit des FIT/ISEL wurden Richtlinien zur öffentlichen Ausschreibung eines stadtweiten LoRa-Netwerks entwickelt. Die von FIT/ISEL formulierten Mindestanforderungen an ein LoRa-Netzwerk lauten wie folgt:

  • Implementierung von mindestens 15 LoRa-Gateways
  • 90 % Oberflächenfunkversorgung mit einem RSSI (received signal strength indicator) von über 115 dBm und einem Signal-Rausch-Verhältnis von 5 dB
  • 24 Übertragungen pro Tag und Gerät versendet
  • Regeln zur Dienstleistungs-Güte-Vereinbarung
  • Bereitstellung eines öffentlich zugänglichen Netzwerkservers

Implementierung und Leistungserbringung in Lissabon auf Basis der Richtlinien begann 2021 und befindet sich derzeit im Rollout.

LoRa-Sonden konnten den Störfaktor des Containermaterials in der Datenübertragung von oberirdischen und unterirdischen Containern messen. Diese Messung war notwendig, um die Netzwerkanforderungen zu bestimmen. Es wurde herausgefunden, dass das Material eines überirdischen Containers keine bedeutende Auswirkung auf die Datenübertragung hatte. Sowohl auf der Innen- und Außenseite wurden ähnliche RSSI-Werte gemessen. Im Fall der unterirdischen Container war die RSSI-Messung auf der Außenseite 20 dBm höher als auf der Innenseite, was eine signifikante Auswirkung der Antennenplatzierung auf die Qualität der Datenübertragung andeutet.

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