1000 LoRaWAN Nodes im ländlichen Raum von Schleswig-Holstein

Die Ausgangssituation

In Schleswig-Holstein zählt 97 % der Landesfläche zum ländlichen Raum, in dem 78 % der schleswig-holsteinischen Bevölkerung leben. Dieser ländliche Raum gerät durch Auswirkungen des demografischen Wandels und durch Abwanderung der jüngeren Bevölkerung zunehmend in Schwierigkeiten. Weiterhin sorgen auch die Internetdienstleister durch ihre Unterversorgung in diesen Regionen dafür, dass der ländliche Raum digital abgehängt wird (siehe aktuelle Diskussion um den Ausbau des 5G-Netzes).

Daher darf nicht nur der städtische Bereich mit „Smart City“ Projekten lebenswerter gemacht werden, sondern auch für den ländlichen Raum, in dem der Großteil der Bevölkerung lebt, muss mit „Smart Country“ Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass die Vorteile der Digitalisierung auch auf diesen übertragen werden. Nur mit Hilfe der Digitalisierung kann der bestehende Unterschied zwischen Stadt und ländlichem Raum überwunden werden.

Das Projekt

Aufbau einer landesweiten flächendeckenden Versorgung mit LoRaWAN-Technologie, welche durch vorausgehende Installation einer ausreichenden Anzahl von Gateways und anschließender Installation von zahlreichen intelligenten Sensoren realisiert wird.

Wir wollen mit unserem Projekt dazu beitragen, dass der ländliche Raum demnächst in Sachen Digitalisierung zukunftsfähiger aufgestellt ist. Erreichen werden wir das mit einer auf der LoRaWAN-Technik basierenden Versorgung für das Internet der Dinge. Diese Strategie beruht darauf, dass man alternativ zu den bestehenden Funkstandards wie WLAN, 4G oder Bluetooth die vernetzten Sensoren auch über lizenzfreie Frequenzen ansprechen kann. Und zwar immer dann, wenn sich die bestehende Standards wegen mangelnder Reichweite, hohem Energieverbrauch und/oder hohen Kosten nur bedingt für den Einsatz auf dem Land eignen.

Daher setzen wir auf die kostengünstige, mit großer Reichweite ausgestattete und strahlungsarme LoRaWAN-Technik, mit der sich die Nodes (intelligente Sensoren) per verschlüsselter Funkverbindung über weite Entfernungen mit den Gateways verbinden können, um so dann ihr Ziel (in der Cloud oder auf Anwendungsservern im I-Net) erreichen zu können. Ein Meilenstein auf diesem Weg war in diesem Jahr die flächendeckende Versorgung der Stadt Arnis, die als erste Stadt in Deutschland von uns mit LoRaWAN-Technologie komplett abgedeckt wurde.

Unser Verein https://Nucleon-ev.eu wird das Projekt mit Hilfe von interessierten Laien auf der Basis von Citizen Science durchführen. Zu Beginn werden wir zusätzlich zu unseren schon bestehenden Gateways weitere Gateways auf hoch gelegenen Punkten wie großen Gebäuden und anderen hohen Bauwerken wie Windrädern, Funktürmen, Werfthallen etc. installieren. Dieser erste Schritt ist Voraussetzung und notwendig für die folgende Installation von entsprechenden intelligenten Sensoren (Nodes), weil es ohne ausreichende Abdeckung durch Gateways keine erfolgreiche Datenübertragung durch Notes geben kann.

Wenn eine zufriedenstellende Abdeckung mit Gateways gegeben ist, dann wird von uns ein „1000 Nodes“ Projekt* ins Leben gerufen, um landesweit die anwenderzentrierte Digitalisierung des ländlichen Raumes weiter voranzubringen. Eine der ersten Aktivitäten wird dann sein, die digitale Landwirtschaft (Precision Farming) zu fördern. Hier werden wir Sensoren wie z. B. für Heuballenüberwachung, Gewächshausüberwachung, Weidezaunüberwachung, Bodenfeuchte, Lufttemperatur und -feuchtigkeitsermittlung etc. entwickeln und die Einsatzfähigkeit in Prototyping Projekten prüfen und bei Eignung bis zur Produktionsreife umsetzen.

*1000 Notes hört sich erst einmal viel an, relativiert sich dann aber, wenn man berücksichtigt, dass ein Landwirt durchaus schon mal 800 – 1000 oder mehr Heuballen haben kann, die alle auf Überhitzung hin in den ersten 2 Wochen täglich einzeln überwacht werden müssen.

Die Anwendungssektoren

  • Digitalisierung im ländlichen Raum
  • Internet der Dinge (IoT)
  • Precision Farming

Welchen Mehrwert bietet das Projekt für die Bevölkerung?

Viele Kommunen, Firmen und Projekte in den ländlichen Regionen können ihre anfallenden IoT-Daten nicht an die zuständigen Verarbeitungs-Server senden, weil nur schwache oder gar keine Mobilfunkabdeckung zur Verfügung steht. Diese Unterversorgung gleichen wir mit unserem LoRaWAN Projekt zumindest teilweise aus, indem wir die Regionen flächendeckend mit Gateways ausstatten, die per Backhaul-Technologie die einzelnen Notes verschlüsselt mit der Cloud/den Anwendungsservern verbinden. Dadurch schaffen wir eine offene Infrastruktur, die sowohl der Bevölkerung, als auch der Open Data Community und der Wirtschaft als Kommunikationsplattform zur Verfügung steht. Im Gegensatz zum Internet, das heute in der Hand von großen börsennotierten Unternehmen ist, wird unsere Infrastruktur in Nutzerhand sein und bleiben.

  • Die Landbevölkerung wird durch diese Technik unterstützt bei den Anwendungsfeldern Fitness-Tracking, Hausnotruf, Fernüberwachung von Temperatur-, Bewegungs- und Patientendaten. Die Technik sorgt dafür, dass die ältere Bevölkerung ihre Selbständigkeit in der eigenen Wohnung länger erhalten kann.
  • Unseren Landwirten hilft die LoraWAN-Technologie, sich Zugang zu sehr vielen Daten im Umfeld ihrer Höfe, Felder und Weiden zu verschaffen. Die Technik kennt den Standort der Weidetiere und kann diese auch an entlegenen Orten aufspüren, hilft beim Überwachen der Tiergesundheit im Stall und auf der Weide und nicht zuletzt auch bei der Überwachung des Bodenzustands. Auch der richtige Erntezeitraum kann mit Sensoren ermittelt werden.
  • Der Bienenzüchter auf dem Land ist dank dieser Technologie immer über den Gesundheitszustand seiner Bienen informiert, auch wenn der Bienenstock weitab im Feld steht.
  • Auch die einzelnen Stadtwerke können dann mit LoRaWAN große Mengen von Steuerungs- und Sensordaten sicher übertragen und damit die Wasser-, Strom- und Wärmeinfrastruktur besser steuern. Dadurch werden Kosteneinsparungen in verschiedenen Bereichen erzielt, die dann letztendlich wieder der Bevölkerung zugute kommen.

Für die nahe Zukunft planen wir u. a., die Mitfahrerbänke smarter zu machen. Idee: die ausgeklappten Tafeln werden mit einem Sensor erfasst und die Info dann nach Weiterleitung an einen LoRaWAN Node visualisiert. Das Ergebnis wird danach auf einer Website angezeigt, so dass ein potenzieller Autofahrer die Nachricht über einen Mitfahrer-Request in eine bestimmte Richtung bekommt.

Natürlich können unsere Projektplanungen von interessierten Gruppen/Vereinen in anderen Bundesländern übernommen werden, um auch dort den ländlichen Raum digital voranzubringen.

Projektzeitplan und Finanzierungsbedarf

Zur Zeit planen wir bis Ende 2019 den Aufbau von bis zu 30 Gateways auf strategisch wichtigen Punkten, um eine für den Anfang ausreichende Dichte von Zugangspunkten zu erreichen. Parallel dazu werden wir den Aufbau der ersten 1000 Nodes forcieren.
Für die Gateways rechnen wir je Standort mit durchschnittlichen Kosten von ca. 300 bis 400 €. Je nach notwendigem Blitzschutz der Anlage kann dies variieren. Bei den Nodes ist die Berechnung abhängig von den eingesetzten Sensoren. Ein einfacher Basisnode kann ab ca. 20 € realisiert werden. Komplexe Mess- und Steuerungs-Nodes können auch mal 100 € kosten.

Damit rechnen wir mit Kosten von mindestens 40000 € für das Projekt „1000 Nodes“ sowie ca. 10000 € für die ersten 30 Gateways. Die Finanzordnung dieses Projektes ist für uns nur durch Partnerschaften und Spenden möglich.

Zur Zeit benötigen wir Partner die hohe Standorte bereitstellen können um dort Gateways aufzubauen.

Ein Aufbau eines LoRaWAN Netzes in dieser Ausdehnung ist eine zivilgesellschaftliche Herausforderung, welche aber durch das persönliche Engagement vieler Beteiligter zu stemmen ist.

Ihr könnt für das Projekt abstimmen und uns helfen.

5 Antworten auf „1000 LoRaWAN Nodes im ländlichen Raum von Schleswig-Holstein“

  1. Könnt ihr noch etwas mehr darüber schreiben, das die „hohen Standorte“ bieten müssen? Strom wird bestimmt benötigt. Wie sieht es mit Internet-Zugang aus? Muss es ein Ethernet-Kabel sein, reicht WLAN oder werden die Daten gar per Mobilfunk weitergegeben?
    Ist eine Außenmontage erforderlich oder könnte sich das Gateway auch unter dem Dach befinden?

    1. Ja klar können wir noch Details nennen.
      Strom benötigt das Gateway natürlich in erreichbarer Entfernung, das bedeutet in unserem Fall das wir aber auch mittels PoE die Spannungsversorgung machen können. Bei den von uns zur Zeit beschafften Gateways auf Basis der RAK 831 GW Platine und dem Raspberry PI können wir entweder direkt mit dem Steckernetzteil oder einer PoE Weiche den Raspberry PI versorgen. Eine sichere Versorgung mittels PoE ist bei 30m gegeben, bei 50m sollte es auch noch funktionieren, ist aber von uns noch nicht getestet worden.
      Ein von Stromnetz autark betriebenes Gateway, das mittels Solarzellen oder Miniatur Windgenerator betrieben wird und dann das Internet über eine Richtfunk Strecke geliefert bekommt ist schon in unserer Planung aber noch nicht im Einsatz.

      Da wir den Raspberry Pi 3 einsetzen ist dort auch eine Internet Versorgung mittels WLAN möglich. Eine direkte LAN Verbindung kann aber auch benutzt werden. An einigen Standorten versorgen wir die Gateways mit Freifunk über eine Richtfunkstrecke.

      Was wir bis jetzt noch nicht haben ist ein Datentransport mittels 4G Netz / Mobilfunk, obwohl es dafür auch schon Lösungen gibt. Allerdings ist ein vorhandenes LAN/WLAN deutlich günstiger, da wir dann keinen Datentarif dazu buchen müssen.

      Eine unter Dach Montage ist möglich, die Reichweite wird etwas geringer sein als bei einer frei stehenden Antenne aber solange es kein Blechdach ist sollte sich der Verlust in vertretbaren Grenzen bewegen. Bei einer Unterdach Montage ist der Wetter- und Blitzschutz deutlich einfacher.
      Wichtig ist halt die Höhe des Gebäudes, um eine möglichst große Fläche ausleuchten zu können.
      Wir verwenden am Gateway gerne Antennen die einen Gewinn von 4-6 dBi ermöglichen. So erreichen wir einen guten Kompromiss zwischen Bauform und Leistung der Antenne.

      Es gibt halt viele individuelle Lösungen die immer den Gegebenheiten am Standort angepasst werden können.

  2. Hallo
    evtl. können wir von der ICE Gateway die 1000 Nodes Initiative Unterstützen ? Wir haben eine Komplettlösung entwickelt welche aus 3 Komponenten besteht:
    1.) Mobile Edge Computer – liest die LoRa Sensoren aus und kann zB an jeder Strassenleuchte oder Hauswand angebracht werden (es wird nur 220V gebraucht)
    2.) Datenerfassung und -übertragung 2G/3G/4G/LoRa/Wireless M-Bus/Bluetotth/WiFi/Internetanschluss für zB Glasfaser
    3.) Datenspeicherung und Bereitstellung an einer definierten Schnittstelle.
    Die Systeme sind in der Regel in 48h installiert und einsatzbereit, das System kann modular erweitert werden.
    Mehr Infos unter http://www.ice-gateway.com
    oder direkt über r.gerbershagen@ice-gateway.com

    1. Moin Ralf,

      ist das Gateways TheThingsNetwork kompatibel?
      Was kostet ein solches Gateway?
      Was für Nodes habt ihr im Angebot?
      Werden die Daten auch bei euch gespeichert oder sind die Daten per default Open Data?
      Würdet ihr eine langfristige Teststellung kostenfrei anbieten so das wir damit Erfahrungen sammeln können?

      1. Hi Frank,
        TheThings beruht auf LoRa daher sollte alles kompatibel sein.
        Unser LoRa Gateway kostet 1150€ da ist allerdings auch die gesamte Datenübertragung und Speicherung mit enthalten d.g. einschalten und loslegen. Wir haben bis zu 200 verschiedenen Sensoren , Kamera`s …im Angebot können aber zusätzliche je nach bedarf freischalten. Kostenfrei ist bei einem Startup immer so eine Sache aber irgendwie geht immer was. Ich denke man sollte erst mal definieren ob die Lösung passen würde. Falls Interesse könnt Ihr mir gerne die Anforderungen unter r.gerbershagen@ice-gateway.com zuschicken.

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