Connected Sensor Intelligence: IoT - Sensornetzwerk - Infrastruktur für WZW

Das Hans Eisenmann-Forum betreibt gegenwärtig den Aufbau eines Internet of Things (IoT) -Sensornetzwerkes für die gesamten Forschungseinrichtungen des Wissenschaftszentrum Weihenstephan der Technischen Universität München. Dies beinhaltet die Bereitstellung einer Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) - Infrastruktur und deren Integration in eine entsprechende digitale Plattform für die Speicherung, den interoperablen Zugriff und die Anzeige der generierten Sensordaten. Nutzern soll damit ein flächendeckender und vereinfachter Fernzugriff auf Sensorknoten und Sensordaten per Netzwerkverbindung ermöglicht werden.

Die Entwicklung der angestrebten Infrastruktur umfasst prinzipiell drei Arbeitsbereiche: die Installation und Integration geeigneter Hardware zum Senden und Empfangen von Datenpaketen per LPWAN-Funkverbindung, die Implementierung der Software zur Vernetzung und Verarbeitung von Daten, sowie die Interaktion mit und Heranführung der Plattform an die angestrebte Nutzer-Zielgruppe.

Das Fundament des Sensornetzwerks umfasst zunächst die Hardware-Bestandteile, konkreter die Empfänger- und Sendestationen (sogenannte Gateways), welche die drahtlose Kommunikation zwischen Sensorknoten und einem Nutzer via Netzwerkverbindung ermöglichen. In einer ersten Phase wurden verschiedene technologische Alternativen recherchiert und evaluiert. Dabei stellte sich bereits sehr schnell der LPWAN-Funkstandard LoRa mit dem entsprechenden Netzwerkprotokoll LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) als sehr geeignet heraus. Gründe hierfür sind die linzenzfreie Nutzung des Frequenzbereichs, die ressourcenschonenden, technischen Eigenschaften (z.B. Übertragungsreichweiten von bis zu 40 km bei wenigen Milliampere an Energieverbrauch), sowie ein bereits sehr ausgeprägter Entwicklungsfortschritt in LoRaWAN-spezifischer Hard- und Software. Gegenwärtig wird am HEF bereits ein Indoor-Gateway betrieben, welches noch nicht im Außenbereich betrieben werden kann, wodurch die Verbindungsqualität außerhalb des Gebäudes verringert ist. Es werden jedoch bereits damit studentische Experimente hinsichtlich der erzielbaren Abdeckung und Übertragungsqualität durchgeführt.

Parallel dazu lag ein Hauptfokus der Projektentwicklung auf der Identifikation von Standorten und die Installation der ersten Outdoor-Gateways. Diese sollten bereits einen möglichst großen Teil des Campus und Versuchsanlagen abdecken sollte. Konkret werden die ersten beiden Stationen in Dürnast und am Weihenstephaner Berg installiert werden. Letzterer Standort ist aufgrund seiner Erhebung bereits sehr gut geeignet große Bereiche der relevanten Flächen auf beiden Seiten des Berges abzudecken. Die Umsetzung und damit der Betrieb der ersten Gateways sind demnach für Frühjahr 2020 angesetzt.

Über den Aufbau der Hardware-Infrastruktur hinaus, stellt die Bereitstellung einer leistungsfähigen und zuverlässigen Softwarearchitektur den zweiten Hauptfokus der Projektentwicklung dar. Durch eine enge Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Geoinformatik konnte hierbei bereits binnen kurzer Zeit ein erprobtes Konzept für die Software-Infrastruktur entwickelt werden. Diese besteht im Wesentlichen aus der Verarbeitung der vom Gateway empfangenen Sensordatenströme in einem Netzwerk-Server, und dem Speichern und Bereitstellen der Sensordaten in einem Datenbank-Server. Um das Management der Daten und Sensorknoten nutzerfreundlich und intuitiv zu gestalten, wird gegenwärtig zusätzlich eine auf graphischer Nutzeroberfläche basierende Web-Applikation entwickelt.

Neben der technischen Weiterentwicklung führen wir kontinuierlich Gespräche mit verschiedenen Fachbereichen am WZW Campus, um Bedarfe zu erkennen, die Potenziale der angestrebten IoT-Infrastruktur offen zu legen, sowie bereits vorab Beratung und Lösungshilfe anzubieten. Ganz im Auftrag des HEF legen wir hinsichtlich Letzteren ein Hauptaugenmerkt auf der Vernetzung von verschiedenen, spezialisierten Disziplinen teils auch über die Grenzen des WZW hinaus.