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LoRaWAN in Delbrück

delbrück digital

© Stadt Delbrück

Ziel/Nutzen der Lösung

In Delbrück wurde ein flächendeckendes LoRaWAN-Funknetz ausgebaut. Das Long Range Wide Area Network (kurz: LoRaWAN) ist ein energiesparendes, kostengünstiges und reichweitenstarkes Funknetz. Das LoRaWAN-Funknetz bildet die nötige Infrastruktur für eine Vielzahl an Smart-City-Anwendungen. Von insgesamt 25 geplanten Anwendungsfällen wurden im Pilotprojekt bereits zwölf Anwendungsfälle mithilfe des LoRaWAN-Funknetzes exemplarisch umgesetzt. Dazu zählen u. a. das Energie- und Gebäudemonitoring sowie die digitale Pumpwerküberwachung und die Grundwasserpegelmessung. Im derzeit laufenden Umsetzungsprojekt „LoRaWAN 2.0“ werden diese Anwendungsfälle weiter ausgerollt und neue Anwendungsfälle implementiert. Der Einsatz der LoRaWAN-Sensorik ermöglicht, einige (Verwaltungs-) Prozesse, die aktuell noch analog oder händisch durchgeführt werden und somit viel Personal und Zeit binden, mit geringem Aufwand digital zu unterstützten. Darüber hinaus vernetzt sich die Stadt Delbrück u. a. mit den Städten Paderborn, Soest und Lippstadt sowie mit der Westfalen Weser Netz GmbH, um den regionalen Netzausbau und -zusammenschluss voranzubringen. Sie profitieren von Synergieeffekten und von dem Wissenstransfer.

Lösungsbeschreibung

Das Pilotprojekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen (MWIDE) im Rahmen des Förderprogramms „Digitale Modellregionen NRW“ gefördert. Das Pilotprojekt hat inkl. Personalkosten insgesamt 64.654,96 Euro gekostet. Davon wurden 51.723,97 Euro durch das Land Nordrhein-Westfalen getragen.
In einem zweiten Schritt werden für den Ausbau des LoRaWAN-Funknetzes und die Umsetzung von 25 Anwendungsfällen weitere 1.340.632,50 Euro investiert. Das Bundesministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen (MWIDE) fördert den Ausbau des LoRaWAN-Funknetzes mit weiteren 1.072.506,00 Euro. Um das LoRaWAN-Funknetz auszubauen und die Anwendungsfälle umzusetzen, wurde ein entsprechend qualifizierter Mitarbeiter eingestellt. Seine Stelle wird hauptsächlich durch die Fördermittel finanziert. Das LoRaWAN-Funknetz ist vielseitig einsetzbar und der geringe Energiebedarf ermöglicht den Einsatz von batteriebetriebenen Sensoren. Installations- und Betriebskosten sind dadurch minimiert. Im Gegensatz zum zellularen Mobilfunk wird es ermöglicht, private Netzwerke aufzubauen. Seit Ende Januar 2021 erhalten auch Privatpersonen die Möglichkeit die LoRaWAN-Infrastruktur mit eigenen Sensoren zu nutzen. Dies konnte durch die Öffnung des Delbrücker Funknetzes für die The Things Network Community realisiert werden.
Die LoRaWAN-Technologie ermöglicht den Einsatz von batteriebetriebenen Sensoren, die im Funknetz kleine Datenpakete versenden. Aufgrund der langen Batterielaufzeiten und vergleichsweise geringen Sensorkosten ist die Technologie kostengünstig und bietet eine deutlich höhere Reichweite als andere Kommunikationstechnologien wie Bluetooth oder WLAN. Um die Kommunikation der Sensoren zu ermöglichen, sind sogenannte Gateways zu installieren.
Dreizehn Gateways wurden bereits aufgebaut. In jedem Delbrücker Ortsteil befindet sich bisher mindestens ein Gateway. Die Gateways empfangen die Daten von den im Stadtgebiet verteilten LoRaWAN-Sensoren und leiten sie sicher an einen Netzwerkserver weiter. Von dort werden die Daten visuell aufbereitet und stehen den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern zur weiteren Analyse und Verarbeitung zur Verfügung. Zur Verarbeitung der Daten wurde die zentrale Visualisierungsplattform e2watch der regio iT GmbH eingerichtet. Mithilfe dieser Plattform ist es u. a. möglich, Verbräuche und Zustände zentral zu überwachen. Die Plattform ermöglicht u. a. visuelle Auswertungen vorzunehmen, Störmeldungen zu konfigurieren und Reporte zu erstellen. Speziell im Energiebereich bietet die Vorhersagefunktion der Visualisierungsplattform e2watch die Möglichkeit, auf Basis historischer Daten den Verbrauch in gewissen Zeiträumen vorherzusagen. Die Funktion unterstützt dabei, den aktuellen Energieverbrauch einzuordnen. Zusätzlich wird derzeitig ein Dashboard entwickelt, welches voraussichtlich im Winter 2021 der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen wird. Das Dashboard wird für die Anwendungsbereiche Wetterstation, Delbrücker Gewässer und barrierefreies Parken zur Verfügung stehen.
Gestartet ist das Pilotprojekt am 11. Dezember 2018. Die Installation der ersten Gateways und Sensoren wurde bereits am 08. Januar 2019 abgeschlossen. In der Folge wurden am 09. und 10. Januar 2019 Netzabdeckungstests im Stadtgebiet durchgeführt um zu prüfen, inwieweit eine Abdeckung durch die drei installierten Gateways gewährleistet ist. Im Februar 2019 fand schließlich die Ergebnispräsentation des Pilotprojekts im Rat der Stadt Delbrück statt. Im Anschluss wurden sowohl ein Abschlusskonzept als auch ein Konzept für das umfangreiche Folgeprojekt LoRaWAN 2.0 erstellt, welches am 01. Januar 2020 gestartet ist. Im Folgeprojekt wird das LoRaWAN-Funknetz weiter ausgebaut und weitere Anwendungsfälle getestet.
Im Rahmen des Pilotprojekts wurde ein rudimentäres LoRaWAN-Funknetz mit drei LoRaWAN-Gateways aufgebaut. Im Folgeprojekt LoRaWAN 2.0 wurden nun weitere zehn LoRaWAN-Gateways auf städtischen Liegenschaften installiert, um das vorhandene Netz zu verdichten. Der IT-Dienstleister regio iT hat die Stadt Delbrück von der Konzeption bis hin zum Aufbau des LoRaWAN-Funknetzes unterstützt und ist auch bei der Umsetzung der Anwendungsfälle involviert. Der Ausbau des LoRaWAN-Funknetzes ist erforderlich, um die 25 ausgewählten Anwendungsfälle auszurollen. Einige der zu erweiternden beziehungsweise zu implementierenden Anwendungsfälle sind:
• Pumpwerküberwachung: Alarmierung bei Anlagendefekten und Anomalien, Vermeidung von Schäden durch nicht gemeldete Fehler
• Grundwasserpegelmessung: Automatisierung einer bisher zeitaufwändigen händischen Messung
• Leckageerkennung: Erkennung von Leckagen und automatisiertes Beenden der Wasserzufuhr (Einsatzbereich: Sporthallen, aufgrund der teuren Böden)
• Energiemonitoring: Verbrauchstransparenz (Wasser, Strom, Öl, Heizung), Kostentransparenz, Wegfall aufwendiger Ablesung, Einsparpotenziale
• automatisierte Steuerung von Oberlichtern: bedarfsgerechtes, automatisches Lüften
• Gebäudeüberwachung: Erhöhung der Sicherheit, Vermeidung von unbefugten Zutritten und Schäden, Vermeidung von Schimmelbildung
• Überwachung von Rettungswegen: automatisierte Alarmierung bei Belegung von Flucht- und Rettungswegen
Nach Ende der Förderung wird der Betrieb entweder durch Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Stadt Delbrück oder durch eine Netzagentur fortgeführt. Die Implementierung weiterer Anwendungsfälle ist explizit vorgesehen.
Die Anwendungsfälle wurden im Pilotprojekt auf Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Sinnhaftigkeit hin untersucht. Daraus wurde abgeleitet, welche Anwendungsfälle flächendeckend ausgerollt werden. Verwaltungsmitarbeitende, Bürgerinnen und Bürger, Unternehmen, Landwirtschaft und Dienstleistungsunternehmen wurden in insgesamt neun zielgruppenspezifischen Workshops am Projekt beteiligt.
Im Rahmen der Workshops wurden die Bedarfe und Wünsche identifiziert und danach die Anwendungsfälle ausgerichtet. Verwaltungsmitarbeitende der Stadt Delbrück betreuen die Datenbank in dem jeweils entsprechenden Anwendungsbereich und erhalten Schulungen zum Umgang mit der Visualisierungsplattform.
Mit dem Kreis Paderborn wurde ein Mitbenutzungsvertrag geschlossen. Dieser erlaubt der Stadt Delbrück, einen Ultraschallsensor zur Messung des Flusspegelstandes an einer kreiseigenen Brücke zu montieren.

Kommunen

Das Projekt wird in folgenden Kommunen umgesetzt:

Delbrück, Nordrhein-Westfalen

20.000 bis 50.000 Einwohner

Stadt und Land

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Viele mühselige und zeitintensive Arbeiten werden durch den Einsatz der intelligenten Sensoren vereinfacht. Einen großen Mehrwert bringt beispielsweise die automatisierte und regelmäßige Ablesung von Zählerständen (Wasser, Strom etc.) in städtischen Liegenschaften, wodurch Verbrauchsverläufe sichtbar gemacht werden. Mithilfe des LoRaWAN-Funknetzes wird somit ermöglicht, Ressourcen und Energiekosten einzusparen. Bereits im Pilotprojekt wurde mithilfe der Überwachung über LoRaWAN ein nicht notwendiger Wasserverbrauch in einer Schule entdeckt und der Defekt behoben.

Alle geplanten Anwendungsfälle zielen darauf ab, ein oder mehrere Probleme zu lösen, Prozesse zu optimieren oder auch wertschöpfende neue Prozesse zu gestalten. Zum Beispiel bei der digitalen Grundwasserpegelmessung muss keine Mitarbeiterin und kein Mitarbeiter mehr die weit entfernten Messpunkte anfahren, um die Messwerte abzulesen. Durch die automatische Übertragung im LoRaWAN-Funknetz ist die Auswertung aller Messwerte effizienter und ökologischer. Alle Messwerte werden zentral an einem Ort abgebildet und erlauben die Überwachung der Daten rund um die Uhr. Dadurch wird der aufwendige Prozess nicht nur automatisiert, es ist nun auch möglich anhand der hochaufgelösten Messwerte externe Effekte auf den Grundwasserpegel zu analysieren. Das LoRaWAN-Funknetz ist zudem vielseitig einsetzbar. Es bildet daher die Basis für weitere geplante Smart-City-Anwendungen und ebnet den Weg der Stadt Delbrück zu einer Smart City.

Einige Sensordaten des Delbrücker LoRaWAN-Funknetzes stehen demnächst über ein Dashboard öffentlich zur Verfügung. Dies ermöglicht beispielsweise den Bürgerinnen und Bürgern der Stadt Delbrück sich über das Wetter im Ort oder über den Belegungszustand von Behindertenparkplätzen online zu informieren. Darüber hinaus wird im Verlauf des Projekts ein Übertragbarkeitsleitfaden erstellt, der es anderen Kommunen erleichtern soll, ein eigenes LoRaWAN-Funknetz inklusive ausgewählter Anwendungsfälle umzusetzen.

Eine Übertragbarkeit auf andere Kommune ist durch die offene Systemarchitektur sichergestellt. Alle entwickelten Lösungen sind über die LoRaWAN-Sensoren, Gateways, Netzwerkserver sowie über die Visualisierungsplattform miteinander verbunden. Alle Komponenten lassen sich individuell austauschen und daher an die Bedarfe anderer Kommunen anpassen. Der Übertragbarkeitsleitfaden wird auf Nachfrage im Entwurfsstadium zur Verfügung gestellt. Nach Abschluss des Projekts wird der Übertragbarkeitsleitfaden über die städtische Homepage zur Verfügung gestellt.

Beteiligte Partner*innen

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