Emscher-Lippe-Thingsnet: LoRaWAN-Sensornetz für die Region

Von Februar 2018 bis September 2021 haben wir mit dem Projektpartner ISTplanbar GmbH, Recklinghausen, das Emscher-Lippe-Thingsnet aufgebaut: ein LoRaWAN-Funknetz, über das Sensoren in der Emscher-Lippe-Region Messdaten ins Internet übertragen können. Aus einem einzigen Gateway im Mai 2019 wurden bis zum Projektende rund 85, dazu kamen Workshops für Schulen und Anwender und ein Bürger-Messnetz für Feinstaub in Bottrop. Wir zeigen hier eine Rückschau auf das Projekt.

Überblick

Warum LoRaWAN?

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein Funkstandard für das Internet der Dinge. Er ist darauf ausgelegt, kleine Datenmengen über große Entfernungen mit sehr geringem Energiebedarf zu übertragen:

• Reichweite: mehrere Kilometer pro Gateway, auch in bebautem Gebiet
• Energiebedarf: batteriebetriebene Sensoren können jahrelang ohne Wartung arbeiten
• Frequenzen: lizenzfreies Band, keine Mobilfunkverträge nötig
• Architektur: Sensoren senden an Gateways, die die Daten an einen Netzwerkserver und von dort an die jeweilige Anwendung weiterleiten

Damit eignet sich LoRaWAN für Messaufgaben, bei denen es nicht auf große Datenmengen, sondern auf Fläche und lange Laufzeit ankommt – etwa Umwelt- und Klimamessungen, Füllstände oder Raumklima.

Das Vorhaben

Vorbild waren Smart Cities wie Amsterdam, Barcelona, Chicago, Manchester, Singapur und Turin. Dort liefern Sensor- und Aktornetze Bürgerinnen, Bürgern und Stadtverwaltungen Umweltdaten zur Daseinsvorsorge und ermöglichen Dienste wie

• die Echtzeit-Anzeige freier Parkplätze,
• ein Abfallbehälter-Management mit Füllstandssensoren,
• die Wartung von Brücken und Verkehrswegen mit Erschütterungssensoren,
• die Leckageüberwachung von Wasserleitungen,
• die Überwachung von Temperatur und Feuchtigkeit und Warnungen bei extremen Wetterlagen,
• Monitoring und Reporting der Luftqualität in Echtzeit.

Mit Test-Knotenpunkten in Recklinghausen und weiteren Städten der Emscher-Lippe-Region sollte – gemeinsam mit sachkundigen Expertinnen und Experten – ein öffentlich zugängliches Infrastruktur-Netzwerk für die Kommunen und ihre Bürgerinnen und Bürger entstehen und evaluiert werden. Geplant war, 50 bis 100 Test-Sensorstationen an dieses Netz anzubinden.

Partner und Themenfelder

Als Kooperationspartner waren Kommunen der Emscher-Lippe-Region, Wirtschaftsförderungen, der Kreis Recklinghausen, FabLabs an lokalen Hochschulen, Firmen, Krankenhäuser, die Diakonie, Berufskollegs und Umweltschutzinitiativen und Privatpersonen beteiligt.

Inhaltlich verband das Projekt zwei Themenfelder:

• Bewahrung der Schöpfung / Umwelt- und Naturschutz – Arbeit im Konfliktgebiet.
• Digitalisierung als emanzipatorische Bildung – Beteiligung, Transparenz, Gehörtwerden, Bottom-up-Politik, Selbstwirksamkeit und die sozialethische Reflexion von Technik und Politik.

Der Evaluationsauftrag

Ein Arbeitspaket war dem Expertenbeirat Evaluation gewidmet. Seine Aufgabe: die wissenschaftliche Begleitung der Wetter- und Umweltmessungen, also

• die Prüfung der Messgenauigkeit im Parallelbetrieb mit „offiziellen“ Luftmessstationen,
• die Auswertung der gewonnenen Messdaten und
• die vergleichende Auswertung der Präsentationsschichten, über die die Daten veröffentlicht werden.

Die Ergebnisse dieser Evaluation stehen im Abschnitt Wie genau messen die Sensoren?.

Aufbau des Netzes: von 1 auf rund 85 Gateways

Die Ausgangsannahme lautete: Für eine flächendeckende LoRaWAN-Versorgung der Emscher-Lippe-Region sind etwa 50 Gateways erforderlich.

Im Mai 2019 gab es ein einziges Gateway des Projekts, auf dem Klinikum Vest an der Dorstener Straße in Recklinghausen. Schon dieses eine Gateway empfing Sensoren bis nach Dorsten – rund 19 km entfernt.

Die Gateways sind in das offene Community-Netz The Things Network (TTN) eingebunden. Die Karten stammen von TTN Mapper: Jede Linie steht für eine tatsächlich gemessene Funkverbindung zwischen einem Sensor und einem Gateway.

Bis September 2021 wuchs das Netz auf rund 85 ELTN-Gateways. Die Ausgangsannahme von 50 Gateways wurde damit deutlich übertroffen. Zwischen Dorsten, Marl, Datteln, Waltrop, Gladbeck, Herten und Castrop-Rauxel war die Region damit weitgehend abgedeckt.

Workshops und Anwender-Sessions

Ein Netz ist nur so viel wert wie seine Nutzung. Deshalb gehörten Workshops von Anfang an zum Projekt – vor Ort und, ab Ende 2020, auch online.

Dazu kamen Multiplikatorenveranstaltungen und Anwender-Sessions mit Einrichtungen und Unternehmen, unter anderem:

Hardware für Lerngruppen

Für die Arbeit mit Schulen und Workshop-Gruppen wurden Lernpakete zusammengestellt, mit denen sich eigene LoRaWAN-Sensoren bauen lassen:

• über 25 Lernpakete ausgegeben, jeweils mit sechs Einzelkomponenten für Licht, Ultraschall, Luftfeuchte und mehr,
• insgesamt ca. 400–500 Sensoren mit und ohne Gateways, darunter rund 40 Single-Channel-Gateways zum Testen an Schulen und für Teilnehmende der Workshops,
• Dauereinsatz von 34 Sensorpaketen in Bottrop für Feinstaub, Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte (siehe unten),
• Dauereinsatz von Sensoren bei der WINDOR in Dorsten und den Stadtwerken Herne.

Single-Channel-Gateways empfangen nur auf einem Funkkanal. Für den regulären Netzbetrieb reichen sie nicht aus, für das Lernen und Testen sind sie aber günstig und einfach einzurichten.

Anwendungsfall: Feinstaubmessungen in Bottrop

Anlass

Anlass der Aktivitäten in Bottrop waren Messungen polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK). Auf ihrer Grundlage gibt die Stadt Bottrop Empfehlungen für den Anbau und Verzehr von selbst angebautem Obst und Gemüse. Je nach Bereich gilt: höchstens viermal pro Woche, höchstens dreimal pro Woche – oder gar kein Verzehr von Blattgemüse.

Die offizielle Messstation

Das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) betreibt in Bottrop-Welheim eine Luftmessstation (Kürzel BOTT, EU-Kennung DENW021). Der Messcontainer steht seit 1981 auf der Grünfläche eines Schulgeländes an der Welheimer Straße. Etwa 1 km östlich verläuft die B 224, rund 700 m südwestlich beginnt das Gelände einer Kokerei, daran schließen sich ein Industrieareal und das Hafengebiet am Rhein-Herne-Kanal an.

Die Station misst unter anderem Feinstaub (PM10), Ozon, Stickoxide, Schwefeldioxid, Temperatur, Luftfeuchte sowie Windrichtung und -geschwindigkeit. Zusätzlich wertet das LANUV Tagesproben auf Inhaltsstoffe des Feinstaubs aus, etwa Blei, Cadmium und Nickel sowie Benzo[a]pyren, die Leitsubstanz der PAK.

Selbst gebaute Sensoren

Die Bottroper Messstationen wurden nach dem Vorbild des Projekts luftdaten.info (heute Sensor.Community) von unseren Kooperationspartnern Caspar Armster und Jens Nowak (Bad Honnef) incl. Softwareunterstützung und Plattformeinbindung gefertigt. – In unserem Projekt übertragen die Sensoren ihre Daten per LoRaWAN (863–870 MHz), also nicht per WLAN auf 2,4 GHz, was für die Erfüllung der Übertragungsanforderungen der kleinen Datenpakete viele Vorteile bringt. Ein Feinstaubsensor und ein Klimasensor für Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck sitzen wettergeschützt in einem Gehäuse aus zwei Abwasserrohrbögen, das Funkmodul sendet über eine außen liegende Antenne.

Aufgestellt wurden die Sensoren bei Bürgerinnen und Bürgern – etwa unter einem Terrassendach oder an einer Hauswand. So entstand ein Messnetz, das die Belastung dort erfasst, wo Menschen wohnen, und nicht nur am Standort der offiziellen Station.

Daten für alle: drei Präsentationsschichten

Die Messwerte werden über drei Plattformen veröffentlicht, die sich in Zugang und Funktionsumfang unterscheiden:

Sensor.Community färbt die Waben auf der Karte nach der aktuellen Feinstaubkonzentration ein. Für jeden Sensor lassen sich die letzten 24 Stunden und der gleitende 24-Stunden-Mittelwert für PM2.5 und PM10 abrufen.

Auf der openSenseMap sind die Bottroper Stationen als Gruppe zusammengefasst. Zu jeder Station zeigt sie PM10, PM2.5, Temperatur, relative Luftfeuchte und Luftdruck; über Data download lassen sich die Rohdaten exportieren.

Das Grafana-Dashboard geht am weitesten: Neben Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Taupunkt, Luftdruck und Feinstaub – auch als Tagesmittel – zeigt es Gerätedaten wie Eingangsspannung, Laufzeit, CPU-Temperatur, Speicherbelegung und die Empfangsstärke am Gateway. Damit lassen sich Messwerte und technische Probleme einer Station im Zusammenhang betrachten.

Evaluation: Wie genau messen die Sensoren?

Für die Prüfung der Messgenauigkeit wurden die Werte der eigenen Sensoren von den eingesetzten Plattformen gezogen und mit denen der LANUV-Station Bottrop-Welheim verglichen. Mehrere der eigenen Sensoren stehen in der Umgebung der Station. Auswertung und Visualisierung wurden in Python mit eigens erstellten Jupyter-Notebooks bewerkstelligt, in bewährter Weise mit pandas-, matplotlib-, seaborn-Modulen.

Messlücken

Anders als die LANUV-Station liefern die eigenen Sensoren keine lückenlosen Zeitreihen. Bei Sensor-05 fehlen etwa im Januar, Ende Februar/Anfang März und im Juli 2021 Daten über längere Zeiträume.

Abweichungen bei PM10

Im direkten Vergleich zeigen sich zwei Arten von Abweichungen:

• Sensor-13 liegt mal über, mal unter der LANUV-Station und zeigt immer wieder Spitzen weit über 100 µg/m³, während die Station moderate Werte meldet. Für die Darstellung wurden Ausreißer über 126 µg/m³ abgeschnitten.
• Sensor-07 bildet bis zum Sommer 2021 die Spitzen und Täler der LANUV-Kurve recht gut nach. Nach dem Einsatz eines Austauschsensors liegen die Werte dagegen dauerhaft bei wenigen µg/m³ – deutlich unter denen der Station. Ein neues Gerät ist also nicht automatisch ein verlässliches Gerät.

Die prozentualen Abweichungen von Sensor-02 und Sensor-05 gegenüber der LANUV-Station schwanken fortlaufend im Bereich von etwa +100 % bis −100 %. Hinzu kommen Ausschläge bis −600 % und −700 %, bei denen der Sensor ein Vielfaches des LANUV-Werts meldete. Die Unterschiede sind also nicht nur ein Problem einzelner Ausreißer.

Die Verteilung der Messwerte macht das Muster deutlich. Der Median der Sensoren (Sensor-13 und Sensor-18) liegt mit rund 8–9 µg/m³ deutlich unter dem der LANUV-Station (rund 17 µg/m³). Gleichzeitig produzieren die Sensoren zahlreiche Ausreißer bis über 120 µg/m³, die Station dagegen nur bis etwa 50–60 µg/m³. Das LANUV veröffentlicht gleitende 24-Stunden-Mittel; dies erklärt einen Teil der Unterschiede.

Eine Auswertung nach Uhrzeit und Tag zeigt, dass sich die großen Abweichungen auf einzelne Tage und Tageszeiten konzentrieren, etwa auf die frühen Morgenstunden. Die Auswertung wirft deshalb die Frage auf, ob lokale Störeffekte in der Nähe einzelner Sensoren dahinterstecken – etwa Emissionen von Hausfeuerungsanlagen wie Holzöfen.

Luftfeuchte

Bei der Erfassung der relativen Luftfeuchte fallen die Sensoren seltener aus, und es zeigen sich weniger Ausreißer. Trotzdem liegen die Werte häufig unter denen der LANUV-Station, und vereinzelte Werte über 100 % sind physikalisch unmöglich. Auch hier gilt: Ohne Kalibrierung sinkt die Qualität der Messwerte.

Erfahrungen mit LoRa-Sensoren

Neben den Umweltmessungen wurden im Projekt zahlreiche handelsübliche LoRaWAN-Sensoren im Praxiseinsatz getestet, mit unterschiedlichen Erfahrungen:

Bewährt haben sich:

• Überwachung von Türöffnungen, Schalt- und Serverschränken
• GPS-Tracker in verschiedenen Varianten, vor allem von Dragino; Tracking (Trackio-GPS) in einem Nextcloud-Dashboard mit OpenStreetMap und Google Maps
• Lichtschranken
• CO₂-Sensoren mit guter Aussagekraft, auch als Bastelsets in Schulen
• Sensoren von Elsys, die sich problemlos per Funk (OTA) aktualisieren lassen
• Temperatursensoren für Heizungsanlagen in verschiedenen Varianten, innen und außen
• Helligkeitssensoren, um den Türstatus zu erkennen, etwa bei Serverschränken oder Garagen
• Bodenfeuchtesensoren für Pflanzen und Bäume
• Sensoren an Feuermeldern zur Zustandsfernwartung

Nicht bewährt haben sich:

• Parksensoren: mehrere Defekte und Rückrufe der Hersteller; Sensoren von Bosch ließen sich nicht auf Version 3 des TTN-Stacks (TheThingsNet) aktualisieren, und einbetonierte Sensoren sind nur schwer zurückzuholen
• Präsenz- und Bewegungsmelder: liefen schlecht, der Anbieter ging in Konkurs
• Schallsensoren: kein echter Kundeneinsatz, schlecht geeignete Gehäuse
• Füllstandssensoren in Metallbehältern: funktionieren nicht, da der Ultraschall reflektiert wird
• Erschütterungssensoren: wenig brauchbare Ergebnisse
• Reedkontakte: schwer an beweglichen Rolltoren anzubringen; ein Lichtsensor im Kohlebunker bei der WINDOR (Wirtschaftförderung Dorsten) erwies sich als problematisch

Auffällig ist, dass gerade einige der Smart-City-Anwendungen aus der Vorhabenbeschreibung – Parkplätze, Füllstände, Erschütterungen – in der Praxis die meisten Schwierigkeiten bereiteten.

Die Projektwebsite

Auf der Website Emscher-Lippe-Things.net informierte das Projekt über Nachrichten, Termine, Workshops und Info-Material. Dort wurden auch Anwendungen aus der Region vorgestellt – etwa die Evangelische Gemeinde Haltern, die per LoRaWAN-Sensor Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Erlöserkirche misst. Aus den Messwerten lässt sich der Taupunkt berechnen, so dass rechtzeitig gelüftet werden kann, bevor sich Kondenswasser und Schimmel in der wertvollen Orgel bilden.

Fazit

• Das Netz steht im Rahmen des Projektverlaufs. Statt der angenommenen 50 Gateways sind rund 85 entstanden; die Emscher-Lippe-Region ist weitgehend mit LoRaWAN versorgt.
• Bildung und Beteiligung wirken. Mit Workshops, Lernpaketen und hunderten Sensoren haben Schulen, Einrichtungen, Unternehmen sowie Bürgerinnen und Bürger das Internet der Dinge selbst ausprobiert – bis hin zu einem eigenen Messnetz in Bottrop, dessen Daten offen zugänglich sind.
• Günstige Sensoren ersetzen keine Messstation. Messlücken, Ausreißer, systematische Abweichungen und ein fehlerhafter Austauschsensor zeigen: Für belastbare Aussagen braucht es eine valide Kalibrierung, Vergleichsmessungen am selben Ort und eine laufende Kontrolle der Datenqualität. Als Ergänzung, die lokale Effekte sichtbar macht und für das Thema sensibilisiert, sind die Sensoren dagegen wertvoll. In jedem Falle eröffnen die preisgünstigen Sensoren ein breites Areal für verschiedene Lernfelder, die nicht zuletzt Fragen von Messwertgenerierung zum spannenden Gegenstand machen.
• Einfache Anwendungen zuerst. Tür-, Temperatur-, CO₂- und GPS-Sensoren funktionierten zuverlässig, komplexere Anwendungen wie Parkplatz- oder Füllstandserkennung erwiesen sich als deutlich anspruchsvoller.

Präsentation

Die vollständigen Folien der Schlussauswertung für den Expertenbeirat Prof. Michael Schäfer (Technische Informatik an der Hochschule Ruhr West, Campus Bottrop), Rosa Strube (Collaborating Centre on Sustainable Consumption and Production, Wuppertal (CSCP)), Denis Ahlemann (Geschäftsführender Gesellschafter at K.PLAN - Klima.Umwelt & Planung GmbH), durchgeführt im September 2021, (34 Folien):

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