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IoT-gestützte Beleuchtung für die Smart City
Umsetzung von Smart-City-Lösungen
Phoenix Contact ist auf die Automatisierung von Komponenten, Maschinen und Anlagen spezialisiert und bedient neben der industriellen Produktion und erneuerbaren Energien auch Systeme für die kommunale Infrastruktur. Eine zentrale Rolle spielt hierbei der intelligente Straßenmast als Teil der zukünftigen Infrastruktur von intelligenten Städten. Der Fokus des Unternehmens lag lange Zeit auf dem industriellen Einsatz seiner Lösungen. Mit dem Erschließen neuer Geschäftsfelder in den Bereichen Digitalisierung, Cloud und IoT spielen die Entwicklungen des Unternehmens eine immer größere Rolle auch außerhalb des industriellen Umfelds, womit das Know-how des Hidden Champion nun auch bei der Umsetzung von Smart-City-Lösungen zum Einsatz kommt.
Nahtlose Integration
Zusammen mit Concept Reply, dem auf IoT End-to-End-Lösungen spezialisierten Softwareentwicklungspartner innerhalb der Reply Gruppe, geht Phoenix Contact nun erste Schritte, um eine Streetlighting-Applikation auf Basis des LoRaWAN-Standards für die individuelle Steuerung von Straßenlaternen in Smart Cities zu entwickeln. LoRaWAN gilt als zukunftsweisendes Protokoll, welches den Aufbau einer eigenen Infrastruktur mit einer Reichweite von fünf bis sieben Kilometern im freien Feld ermöglicht. Concept Reply hat dazu die nahtlose Integration in die vorhandene Cloud-Infrastruktur geschaffen.
Gleichzeitig wird durch eine permanente Stromversorgung am Mast, der Schaltpunkt in die Leuchte verlagert – ein Novum, da der Lampenmast in der Regel nur Strom führt, wenn die Straßenbeleuchtung eingeschaltet ist.
Mit der auf LoRaWAN aufbauenden Streetlighting-Applikation soll die Sicherheit und Attraktivität von Straßen und Plätzen erhöht, Energie gespart und der Einsatz der Lampen dynamischer werden. Dies ermöglicht eine geringere Lichtverschmutzung, vereinfacht das Wartungsmanagement und verringert damit einhergehende Kosten.
LoRaWAN
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network und ist ein MAC (Medium Access Control) Protokoll für WAN.
„Long Range“ steht hierbei für: 2-3 km Reichweite in ländlichen Gebieten, 5-7 km darüber hinaus, bis maximal 702 km (Weltrekord: Eine Entfernung von 702,676 km wurde mit nur 25mW (14dBm) Sendeleistung erreicht)
Entwickelt für den Einsatz mit Low-Power-Geräten (LPWAN)
Unterstützung einer sicheren, bidirektionalen Kommunikation für das IoT
Skalierung von einem einzelnen Gateway zu einem großen globalen Netzwerk mit Milliarden von Geräten
Der Einsatz erfolgt typischerweise im freien / niederfrequenten Band (Europa: 867-869 Mhz)
Merkmale: redundanter Betrieb, Geolokalisierung, kostengünstig, stromsparend, Eignung für Single-Building-Anwendungen, ein eigenes Netzwerk kann eingerichtet und verwaltet werden.
Die Offenheit steht im Mittelpunkt
Ein Ziel der Umsetzung war die Entwicklung einer Lösung in der Cloud. Dies bringt erhebliche Vorteile gegenüber lokal installierten IT-Systemen, wie etwa die On-Demand-Nutzung: geringer Betriebs- und Wartungsaufwand einhergehend mit skalierbaren und hochverfügbaren Systemen. Kommunale Unternehmen können sich somit als LoRaWAN-Provider positionieren und Städten eine Straßenbeleuchtung gewährleisten, welche alle gesetzlichen Vorgaben an die Beleuchtung erfüllt. Eine Herausforderung stellt die Gerätevielfalt dar, die in den nächsten Jahren stark zunehmen wird. LED-Technologie ermöglicht hier beispielsweise schon heute die Veränderung von Farbtemperatur oder des Farbcodes. Die Integration unterschiedlicher Hersteller zusammen mit den Themen Multidevice Management und Security werden daher auch in Zukunft einen hohen Stellenwert haben um eine offene, herstellerunabhängige Plattform zu bieten.
Die Proficloud-Plattform
Einen großen Beitrag zum Erfolg des Projektes hat vor allem das Technologie-Know-how von Phoenix Contact geleistet. Zentraler Bestandteil der Umsetzung ist die Phoenix Contact eigene Proficloud-Plattform. Sie dient als Basis-Infrastruktur, auf der die Streetlighting-Applikation und gleichzeitig auch der LoRaWAN-Server aufbauen. Diese Trennung von Anwendungslogik und technologiespezifischer Implementierung des LoRaWAN-Protokolls ermöglicht es in Zukunft das System auch auf andere Funktechnologien oder Standards zu übertragen, ohne dabei wesentliche Änderungen an der Streetlighting-Applikation selbst vornehmen zu müssen. Die Plattform ist daher bereits heute für zukünftige Funktechnologien gerüstet und leicht erweiterbar.
Die Strassenbeleuchtung der Zukunft
Neben der heute schon möglichen individuellen Steuerung von Straßenlaternen sind zukünftig noch ganz andere Anwendungsfälle denkbar. Mit der Einführung von RGB-LEDs und Lichtfarben können Menschen gezielt auf Situationen aufmerksam gemacht oder gewarnt werden, um zum Beispiel Straßen und Wege freizugeben. Ein weiterer Anwendungsfall könnten Unfälle sein: Mit der Streetlighting-Applikation wird ein Umschalten der Straßenlaternen am Unfallort auf kaltes Licht möglich, während gleichzeitig die Intensität gezielt erhöht wird. Dies verschafft den Rettungskräften vor Ort eine bessere Sicht in schwierigen, lebensbedrohlichen Situationen. Beleuchtung kann in Kombination mit entsprechender Sensorik aber auch an die Ankunft einer Person gekoppelt werden, so dass sich die Straßenlaterne im Park beispielsweise nur bei Bedarf einschaltet und so ein Großteil an Energie eingespart wird.
Was steckt technisch hinter der Applikation?
Die Straßenbeleuchtungsinfrastruktur wird auf einer Karte visualisiert. Ein Dashboard ermöglicht die Zuordnung von Laternen in Gruppen, welche individuell parametrisiert werden können, beispielsweise durch Zuordnung eines gemeinsamen Brennkalenders.
Für die Entwicklung des Frontends wurden Vue.js, Bulma und Cypress.io eingesetzt.
Der robuste, sichere und skalierbare Backend-Service wurde in Spring Boot entwickelt.
Durch die Microservice-Architektur auf Basis der Proficloud-Infrastruktur kommen zusätzlich Docker, Kubernetes, Ansible und Terraform zum Einsatz.
Eine Zukunft mit KI
Auch wenn Machine Learning und KI bisher noch nicht zum Einsatz kommen, sind auch heute schon Szenarien denkbar, in denen sich Straßenbeleuchtung zukünftig auf Basis einer KI an konkrete Gegebenheiten anpasst. Die selbstlernende Straßenbeleuchtung würde anhand manueller Eingaben und Daten lernen und so zu jeder Situation die ideale Beleuchtungslösung bieten.
Während man bei einem Schlagwort wie Smart City vielleicht zunächst an Metropolen von Hamburg, München oder Berlin denkt, richtet sich die Entwicklung der Streetlighting-Applikation viel mehr an kleine bis mittelgroße Städte, um ihnen den Einstieg in die Thematik Smart City zu erleichtern . Mit dem Aufbau einer ersten Smart-City-fähigen Infrastruktur ist der Grundstein für die schnelle und sichere Implementierung weiterer zukunftsfähiger Anwendungen bereits gelegt.
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Mit richtungsweisender Verbindungs- und Automatisierungstechnik gestaltet Phoenix Contact gemeinsam mit Kunden und Partnern Lösungen für die Welt von morgen. Wo immer sie benötigt werden – zum Beispiel in der Verkehrsinfrastruktur, der Elektromobilität, für sauberes Wasser, regenerative Energien und intelligente Versorgungsnetze oder energieeffizienten Maschinen- und Anlagenbau. Phoenix Contact setzt sich mit technologischen und damit verknüpften gesellschaftlichen Veränderungen auseinander. Mit fast 100 Jahren Erfahrung im Maschinenbau und in der Automatisierung arbeitet das Unternehmen schon heute an der intelligenten Produktion von morgen.
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Concept Reply ist ein auf innovative IoT-Lösungen spezialisierter Softwareentwicklungspartner und bietet von der Idee über die Konzeptphase bis hin zu Implementierung, Betrieb und Support Lösungen für seine Kunden in den Bereichen Smart Infrastructure, Industrial IoT und Connected Car. Mit seinen IoT Spezialisten erstreckt sich das Angebot von der Implementierung im Embedded-Umfeld bis hin zur Gateway Software oder Cloud-Applikation.