Die Stadt Skopje hatte in jüngster Vergangenheit mit verschiedenen Umweltproblemen zu kämpfen: Überschwemmungen, Lärmbelastung, Verkehrsstaus und vor allem die Luftverschmutzung, die jeden Winter schlimmer wird. Ausser einigen wenigen Erhebungen durch staatliche Messstationen wurde keines dieser Probleme konsequent angegangen. Wir bei Netcetera glauben, dass mit Technologie und neuesten Trends, wie Internet der Dinge, Datenanalysen und maschinellen Lernverfahren (machine learning) viel mehr Erkenntnisse gewonnen und damit einige der vorhandenen Probleme gelöst werden können. Aus diesem Grund – aber auch, damit wir bei Netcetera mehr Erfahrungen in diesem Bereich sammeln – haben wir damit begonnen, SkopjePulse zu entwickeln.

SkopjePulse ist eine IoT-Plattform, die eine Lösung für Nachhaltige Umweltentwicklung bietet. SkopjePulse sammelt Umweltdaten von Sensoren, die über ein LoRaWAN miteinander verbundenen sind, und von Fremdquellen. Sie stellt diese Informationen visuell dar und wendet statistische Verfahren und Lernverfahren wie Korrelationsanalysen und Zeitreihenvorhersagen darauf an. Ziel von SkopjePulse ist es, ein Beobachtungsportal bereitzustellen, mit dem die Umweltprobleme der Stadt angegangen werden können und das als Frühwarnsystem funktioniert.

Ein wichtiger Aspekt des Projekts besteht darin, dass die Stadtbewohner miteinbezogen werden. Sie können nicht nur die angebotene Lösung nutzen, sondern sie können sich auch aktiv daran beteiligen. Alle vom SkopjePulse-Netzwerk und von den übrigen Quellen gesammelten Daten werden als Open Data behandelt, auf die über eine Programmierschnittstelle zugegriffen werden kann. Jeder kann die Daten nutzen, eigene Lösungen entwerfen und diese in das Kernsystem von SkopjePulse integrieren.

LoRaWAN als Schlüsseltechnologie für IoT

Ein Grund für den schnellen Vormarsch des Internets der Dinge sind die Fortschritte bei den Kommunikationsprotokollen. Durch LoRaWAN haben sich zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnet, Geräte mit geringer Leistung über grosse Distanzen miteinander zu verbinden. Die gesamte Infrastruktur ist kabellos, nutzt konzessionsfreie Frequenzbänder und ist durchgängig gesichert.

In Skopje haben wir drei LoRaWAN-Gateways installiert und diese mit dem von der globalen Gemeinschaft betriebenen IoT-Netzwerk TheThingsNetwork (TTN) verknüpft. Im TheThingsNetwork ist die Gemeinschaft von Skopje bereits aktiv, und wir als zentraler Partner sind ein wichtiger Teil davon. Unser Plan ist es, das Netzwerk weiter auszubauen, sodass es die ganze Stadt abdeckt und auch andere Städte einbinden kann.

TheThingsNetwork bietet eine komplette LoRaWAN-Infrastruktur, welche die gesamte Kommunikation sowie Routing, Datensicherheit und Datenübermittlung gewährleistet. Ein Grundsatz lautet, dass das Netzwerk offen, kostenlos und gemeinschaftlich betrieben wird, sodass es von jedem genutzt und weiterentwickelt werden kann. Wir arbeiten zu diesem Zweck bereits mit Universitäten, anderen Unternehmen und Communities vor Ort zusammen und versuchen, die Technologie bekanntzumachen und die Nutzerzahlen zu steigern.

Integrierte Lösung

TTN stellt die LoRaWAN-Infrastruktur bereit und liefert uns die Daten, wir mussten alle anderen Puzzlestücke einfügen.

Kern des Systems ist die IoT-Plattform von Netcetera. Sie besteht aus mehreren Teilen, verknüpft die verschiedenen Datenquellen, ermöglicht skalierbare Datenspeicherung, Datenanalysen, interaktive Darstellungen und zeigt letztlich auch die Bedeutung der gesammelten Daten auf. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

• Aufbau aus autonomen Bauteilen, einfach skalierbar, effizient und robust
• Datenspeicherung durch Apache Cassandra, damit grosse Datenmengen gespeichert und geteilt werden können
• Verschiedene Schnittstellen für die Datensammlung und -übermittlung: HTTP(s), CoAP und MQTT
• Adapter für verschiedene LoRaWAN-Anbieter wie TheThingsnetwork und Swisscom
• Bauteile für die einfache Integration mit Fremddatenquellen
• Umfassende Internetschnittstelle für Gerätewartung, Benutzerverwaltung, Protokolle, Überwachung des Systemstatus und Nutzung
• Datenanalyse-Plugins für einfache Statistiken, Korrelationsanalysen und Zeitreihenvorhersagen
• Interaktive Informationsdarstellungen

SkopjePulse ist ein Set von Nutzerfunktionen und Frontend, die auf die Plattform aufgebaut sind.

SkopjePulse ist ein Set von Nutzerfunktionen und Frontend, die auf die Plattform aufgebaut sind.

Der andere Teil der Lösung besteht aus den Sensorgeräten. Am Anfang haben wir uns darauf konzentriert, Umweltdaten für Luftverschmutzung (Partikelgrössen PM2.5 und PM10), Temperatur, Luftfeuchtigkeit und relativen Lärm zu sammeln. Hierfür haben wir eine kleine Zahl spezieller Geräte hergestellt, die für uns eine neue Herausforderung darstellten: Es ging um Hardware und Industriedesign mit vorgängiger Entwicklung.

Die von uns hergestellten Geräte bestehen aus leicht erhältlichen Komponenten mit einem Mikrochip RN2483, der als LoRaWAN-Modul dient. Zur einheitlichen Gestaltung haben wir eine spezielle Platine entworfen, von der wir mehrere Exemplare herstellen liessen und auf der wir mittels Open-Source-Bibliotheken den Code programmierten. Zu guter Letzt erhielten alle Geräte ein elegantes, mit einem 3D-Drucker hergestelltes Gehäuse für die Wandbefestigung.

Schwieriger Anfang, rosige Zukunft

SkopjePulse ist derzeit in Betrieb, befindet sich allerdings noch in einer frühen Beta-Phase, bei der einige Funktionen fehlen. Unser Fokus liegt im Moment darin, weitere Sensoren zu aktivieren und das Netzwerk zu vergrössern. Der bisherige Weg war steinig, da alle neuen Technologien und sich verändernden Entwicklungsstandards, Bibliotheken, Protokolle und Communities weltweit berücksichtigt werden mussten. Wir haben viele erfolgreiche und auch gescheiterte Experimente durchgeführt und dabei viel gelernt und wir mussten uns immer wieder mit aufwändiger Hardware-Bastelei befassen. Wir haben jedoch das Glück, eines der ersten Unternehmen in diesem Bereich zu sein, das eine vollständige LoRaWAN-IoT-Lösung implementiert hat, und wir sind glücklich, dass es ein Erfolg ist.

SkopjePulse soll eine sich immer weiter entwickelnde Plattform sein, und wir hoffen, dass wir von der Community positiven Zuspruch bekommen, dass wir viele Verbesserungsideen und neue Funktionen erhalten und natürlich tatsächliche Ergebnisse liefern können, damit Skopje zu einer lebenswerteren Stadt wird.