Vernetzte Smart Cities sind die Inspiration für schöne Träume. In solchen Städten verknüpfen digitale Technologien vielfältige, einzigartige Funktionen, um die betriebliche Effizienz und Intelligenz zu verbessern. Schätzungen zufolge werden bis 2050 70 % der Weltbevölkerung in Smart Cities leben, wo das Leben gesund, glücklich und sicher sein wird. Entscheidend ist, dass sie grün sein werden – der letzte Trumpf der Menschheit gegen die Zerstörung des Planeten.
Doch Smart Cities sind harte Arbeit. Neue Technologien sind teuer, lokale Regierungen sind eingeschränkt und die Politik verlagert sich auf kurze Wahlzyklen. Das erschwert die Entwicklung eines hocheffizienten und finanziell effizienten, zentralisierten Technologie-Einsatzmodells, das in städtischen Gebieten weltweit oder landesweit wiederverwendet werden kann. Tatsächlich sind die meisten der führenden Smart Cities, die in den Schlagzeilen sind, in Wirklichkeit nur eine Ansammlung verschiedener Technologieexperimente und regionaler Nebenprojekte, die kaum Aussicht auf eine Ausweitung bieten.
Betrachten wir Müllcontainer und Parkplätze, die dank Sensoren und Analysefunktionen intelligent gesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist es schwierig, den Return on Investment (ROI) zu berechnen und zu standardisieren, insbesondere bei der starken Fragmentierung staatlicher Stellen (zwischen öffentlichen Einrichtungen und privaten Dienstleistern sowie zwischen Städten, Regionen und Ländern). Betrachten wir die Überwachung der Luftqualität. Wie lässt sich der Einfluss sauberer Luft auf die Gesundheitsversorgung einer Stadt einfach berechnen? Logischerweise sind Smart Cities schwer umzusetzen, aber auch schwer zu leugnen.
Es gibt jedoch einen Lichtblick im Nebel des digitalen Wandels. Die Straßenbeleuchtung aller kommunalen Einrichtungen bietet Städten erstmals die Möglichkeit, intelligente Funktionen zu nutzen und mehrere Anwendungen zu kombinieren. Ein Blick auf die verschiedenen intelligenten Straßenbeleuchtungsprojekte im US-amerikanischen San Diego und im dänischen Kopenhagen zeigt, dass ihre Zahl zunimmt. Diese Projekte kombinieren Sensoranordnungen mit modularen Hardwareeinheiten, die an Lichtmasten befestigt sind. So können die Beleuchtung selbst ferngesteuert und weitere Funktionen wie Verkehrszähler, Luftqualitätsmonitore und sogar Waffendetektoren gesteuert werden.
Städte haben begonnen, sich mit der Lebensqualität auf der Straße zu befassen, einschließlich Verkehrsfluss und Mobilität, Lärm und Luftverschmutzung sowie neuen Geschäftsmöglichkeiten. Selbst Parksensoren, traditionell in Parkplätzen vergraben, können kostengünstig und effizient an die Beleuchtungsinfrastruktur angeschlossen werden. Ganze Städte können plötzlich vernetzt und optimiert werden, ohne Straßen aufreißen, Flächen anmieten oder abstrakte Computerprobleme für ein gesünderes Leben und sicherere Straßen lösen zu müssen.
Dies funktioniert, weil intelligente Beleuchtungslösungen meist nicht von vornherein auf Einsparungen durch intelligente Lösungen setzen. Vielmehr ist die Realisierbarkeit der digitalen Revolution in der Stadt eine zufällige Folge der gleichzeitigen Entwicklung der Beleuchtung.
Die Energieeinsparungen durch den Ersatz von Glühlampen durch Festkörper-LED-Beleuchtung, zusammen mit leicht verfügbaren Stromversorgungen und einer umfassenden Beleuchtungsinfrastruktur, machen Smart Cities möglich.
Die Umstellung auf LED stagniert bereits, und intelligente Beleuchtung boomt. Laut Northeast Group, einem Analysten für intelligente Infrastrukturen, werden bis 2027 rund 90 % der weltweit 363 Millionen Straßenlaternen mit LEDs ausgestattet sein. Ein Drittel davon wird zudem intelligente Anwendungen nutzen – ein Trend, der bereits vor einigen Jahren begann. Bis substanzielle Finanzierungen und Pläne vorliegen, eignet sich Straßenbeleuchtung am besten als Netzwerkinfrastruktur für verschiedene digitale Technologien in großen Smart Cities.
LED-Kosten sparen
Laut den Faustregeln von Beleuchtungs- und Sensorherstellern können durch intelligente Beleuchtung die infrastrukturbezogenen Verwaltungs- und Wartungskosten um 50 bis 70 Prozent gesenkt werden. Der Großteil dieser Einsparungen (etwa 50 Prozent, also ausreichend, um einen Unterschied zu machen) ließe sich jedoch allein durch den Umstieg auf energieeffiziente LED-Lampen erzielen. Die restlichen Einsparungen ergeben sich durch die Vernetzung und Steuerung von Beleuchtungskörpern sowie die Weitergabe intelligenter Informationen über deren Funktionsweise an das Beleuchtungsnetzwerk.
Allein zentralisierte Anpassungen und Beobachtungen können die Wartungskosten deutlich senken. Es gibt viele Möglichkeiten, die sich gegenseitig ergänzen: Planung, saisonale Steuerung und Zeitanpassung; Fehlerdiagnose und reduzierter Wartungsaufwand. Der Effekt steigt mit der Größe des Beleuchtungsnetzes und wirkt sich positiv auf den anfänglichen ROI aus. Laut Marktbericht amortisiert sich dieser Ansatz in etwa fünf Jahren und hat das Potenzial, sich durch die Integration sanfterer Smart-City-Konzepte wie Parksensoren, Verkehrsüberwachung, Luftqualitätskontrolle und Waffendetektoren in kürzerer Zeit zu amortisieren.
Guidehouse Insights, ein Marktanalyst, beobachtet mehr als 200 Städte, um das Tempo des Wandels zu messen. Demnach führt ein Viertel der Städte intelligente Beleuchtungssysteme ein. Die Umsätze mit intelligenten Systemen steigen rasant. ABI Research rechnet damit, dass sich der weltweite Umsatz bis 2026 verzehnfachen und auf 1,7 Milliarden US-Dollar steigen wird. Der „Aha-Moment“ der Erde ist wie folgt: Die Straßenbeleuchtungsinfrastruktur, die eng mit menschlichen Aktivitäten verbunden ist, ist als Plattform für Smart Cities im weiteren Kontext der Weg in die Zukunft. Bereits 2022 werden laut ABI mehr als zwei Drittel der neuen Straßenbeleuchtungsanlagen an eine zentrale Verwaltungsplattform angeschlossen sein, um Daten von mehreren Smart-City-Sensoren zu integrieren.
Adarsh Krishnan, leitender Analyst bei ABI Research, sagte: „Es gibt viele weitere Geschäftsmöglichkeiten für Smart-City-Anbieter, die die städtische Lichtmastinfrastruktur durch den Einsatz von drahtloser Konnektivität, Umweltsensoren und sogar intelligenten Kameras nutzen. Die Herausforderung besteht darin, tragfähige Geschäftsmodelle zu finden, die die Gesellschaft dazu ermutigen, Multisensorlösungen in großem Maßstab und kostengünstig einzusetzen.“
Die Frage ist nicht mehr, ob vernetzt werden soll, sondern wie und in welchem Umfang. Wie Krishnan bemerkt, geht es dabei zum Teil um Geschäftsmodelle. Doch bereits jetzt fließt Geld in Smart Cities durch kooperative Privatisierung von Versorgungsunternehmen (PPP). Dabei übernehmen private Unternehmen finanzielle Risiken im Gegenzug für erfolgreiches Risikokapital. Abonnementbasierte „As-a-Service“-Verträge verteilen die Investitionen über die Amortisationszeiträume, was die Aktivität zusätzlich ankurbelte.
Im Gegensatz dazu werden Straßenlaternen in Europa an traditionelle Honeycomb-Netzwerke (typischerweise 2G bis LTE (4G)) sowie an das neue HONEYCOMB IoT-Standardgerät LTE-M angeschlossen. Auch proprietäre Ultraschmalband-Technologie (UNB) kommt zum Einsatz, ebenso wie Zigbee, eine kleine Variante von Low-Power-Bluetooth und Derivate von IEEE 802.15.4.
Die Bluetooth Technology Alliance (SIG) legt besonderen Wert auf Smart Cities. Sie prognostiziert, dass sich die Auslieferungen von Low-Power-Bluetooth-Geräten in Smart Cities in den nächsten fünf Jahren auf 230 Millionen pro Jahr verfünffachen werden. Die meisten davon dienen der Objektverfolgung an öffentlichen Orten wie Flughäfen, Stadien, Krankenhäusern, Einkaufszentren und Museen. Low-Power-Bluetooth ist aber auch für Outdoor-Netzwerke konzipiert. „Die Asset-Management-Lösung verbessert die Nutzung von Smart-City-Ressourcen und trägt zur Senkung der städtischen Betriebskosten bei“, so die Bluetooth Technology Alliance.
Eine Kombination der beiden Techniken ist besser!
Jede Technologie bringt jedoch ihre Kontroversen mit sich, von denen einige in der Debatte geklärt wurden. Beispielsweise schlägt UNB strengere Beschränkungen für Nutzlast und Lieferpläne vor und schließt die parallele Unterstützung mehrerer Sensoranwendungen oder für Anwendungen wie Kameras, die dies erfordern, aus. Kurzstreckentechnologie ist günstiger und bietet einen höheren Durchsatz für die Entwicklung von Beleuchtungs-als-Plattform-Einstellungen. Wichtig ist, dass sie auch bei einem Ausfall des WAN-Signals als Backup dienen und Technikern die Möglichkeit bieten, Sensoren direkt zur Fehlerbehebung und Diagnose auszulesen. Bluetooth mit geringem Stromverbrauch funktioniert beispielsweise mit fast jedem Smartphone auf dem Markt.
Ein dichteres Netz kann zwar die Robustheit erhöhen, seine Architektur wird jedoch komplexer und erhöht den Energiebedarf der vernetzten Punkt-zu-Punkt-Sensoren. Auch die Übertragungsreichweite ist problematisch; die Reichweite mit Zigbee und Low-Power-Bluetooth beträgt höchstens wenige hundert Meter. Obwohl verschiedene Kurzstreckentechnologien konkurrenzfähig und gut für netzbasierte, nachbarschaftsweite Sensoren geeignet sind, handelt es sich dabei um geschlossene Netzwerke, die letztlich den Einsatz von Gateways zur Signalübertragung in die Cloud erfordern.
Am Ende wird üblicherweise eine Honeycomb-Verbindung hinzugefügt. Anbieter intelligenter Beleuchtung setzen derzeit verstärkt auf Point-to-Cloud-Honeycomb-Konnektivität, um Gateways oder Sensorgeräte in einer Entfernung von 5 bis 15 km abzudecken. Die Beehive-Technologie bietet große Reichweite und einfache Bedienung. Laut der Hive-Community bietet sie zudem serienmäßige Vernetzung und ein höheres Maß an Sicherheit.
Neill Young, Leiter des Bereichs Internet der Dinge bei der GSMA, einem Branchenverband der Mobilfunknetzbetreiber, erklärte: „Die Betreiber von Mobilfunknetzen verfügen über eine flächendeckende Abdeckung und benötigen daher keine zusätzliche Infrastruktur für die Anbindung von Stadtbeleuchtungsgeräten und Sensoren. Das wabenförmige Netzwerk im lizenzierten Spektrum bietet Sicherheit und Zuverlässigkeit. Das bedeutet, dass die Betreiber optimale Bedingungen haben, eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen können, eine deutlich längere Batterielaufzeit, minimalen Wartungsaufwand und große Übertragungsdistanzen mit kostengünstigen Geräten ermöglichen.“
Von allen verfügbaren Konnektivitätstechnologien wird HONEYCOMB laut ABI in den kommenden Jahren das größte Wachstum verzeichnen. Der Hype um 5G-Netze und der Wettlauf um die Bereitstellung der 5G-Infrastruktur haben Betreiber dazu veranlasst, sich die Laternenmasten zu schnappen und kleine Wabeneinheiten in städtischen Gebieten zu installieren. In den USA setzen Las Vegas und Sacramento über die Netzbetreiber AT&T und Verizon LTE und 5G sowie Smart-City-Sensoren in Straßenlaternen ein. Hongkong hat gerade einen Plan zur Installation von 400 5G-fähigen Laternenmasten im Rahmen seiner Smart-City-Initiative vorgestellt.
Enge Integration der Hardware
Nielsen fügte hinzu: „Nordic bietet multimodale Produkte für kurze und lange Reichweiten. Sein nRF52840 SoC unterstützt Low-Power-Bluetooth, Bluetooth Mesh und Zigbee sowie Thread und proprietäre 2,4-GHz-Systeme. Nordics Honeycomb-basiertes nRF9160 SiP bietet sowohl LTE-M- als auch NB-IoT-Unterstützung. Die Kombination beider Technologien bringt Leistungs- und Kostenvorteile.“
Die Frequenztrennung ermöglicht die Koexistenz dieser Systeme. Erstere laufen im genehmigungsfreien 2,4-GHz-Band, letztere überall dort, wo LTE verfügbar ist. Bei niedrigeren und höheren Frequenzen besteht ein Kompromiss zwischen größerer Flächenabdeckung und höherer Übertragungskapazität. In Beleuchtungsplattformen wird jedoch typischerweise drahtlose Nahbereichstechnologie zur Sensorvernetzung eingesetzt, Edge-Computing-Leistung für Beobachtung und Analyse und Honeycomb IoT zur Datenübertragung in die Cloud sowie zur Sensorsteuerung für höhere Wartungsanforderungen.
Bisher wurden die Funkgeräte für kurze und lange Reichweite separat hinzugefügt und nicht auf demselben Siliziumchip verbaut. In manchen Fällen sind die Komponenten getrennt, da die Ausfälle von Strahler, Sensor und Funkgerät unterschiedlich sind. Die Integration von zwei Funkgeräten in ein einziges System führt jedoch zu einer engeren Technologieintegration und niedrigeren Anschaffungskosten – wichtige Aspekte für Smart Cities.
Nordic geht davon aus, dass sich der Markt in diese Richtung bewegt. Das Unternehmen hat drahtlose Nahbereichs- und Honeycomb-IoT-Konnektivitätstechnologien bereits auf Entwicklerebene in Hard- und Software integriert, sodass Lösungshersteller die beiden Technologien gleichzeitig in Testanwendungen einsetzen können. Nordics Board DK für nRF9160 SiP wurde für Entwickler entwickelt, um „ihre Honeycomb-IoT-Anwendungen zum Laufen zu bringen“. Nordic Thingy:91 wird als vollwertiges Standard-Gateway beschrieben, das als handelsübliche Prototyping-Plattform oder Proof-of-Concept für frühe Produktdesigns eingesetzt werden kann.
Beide verfügen über ein multimodales Honeycomb-nRF9160-SiP und ein multiprotokollfähiges Kurzstrecken-nRF52840-SoC. Eingebettete Systeme, die beide Technologien für kommerzielle IoT-Anwendungen kombinieren, sind laut Nordic nur noch wenige Monate von der Markteinführung entfernt.
Nordic Nielsen erklärte: „Die Smart City Lighting-Plattform verfügt über all diese Verbindungstechnologien. Der Markt ist sich darüber im Klaren, wie sie miteinander kombiniert werden können. Wir haben den Entwicklungsteams der Hersteller Lösungen bereitgestellt, um deren Zusammenspiel zu testen. Die Integration in Geschäftslösungen ist unerlässlich und wird in Kürze möglich sein.“
Veröffentlichungszeit: 29. März 2022