LoRaWAN und der Mannl-Counter

Autoren: Dr. Martin Benedict und Jörg Martin

Mannl-Counter im Einsatz

Kommunale Veranstaltungen in Zeiten von COVID19

COVID19 begleitet unser Alltagsleben nun schon mehr als ein halbes Jahr. Viele Dinge, die noch vor einem Jahr selbstverständlich waren, sind nicht mehr ohne Weiteres möglich. Niemand hätte erwartet, dass einmal die Weihnachtsmärkte und andere Veranstaltungen in Stadt und Dorf nur unter besonderen Bedingungen und Schutzmaßnahmen stattfinden dürfen. Die Durchführung solcher Ereignisse stellt die Kommunen nun vor neue Herausforderungen. Hygienekonzepte müssen erstellt, kommunziert und eingehalten werden. Neue Sicherheitsregularien müssen bei Veranstaltungen umgesetzt werden. Eine wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung solcher Hygienkonzepte ist die Sicherstellung einer maximalen Anzahl von Personen in einem abgegrenzten Bereich, damit der Mindestabstand von Mensch zu Mensch von 1,5 m eingehalten werden kann.

Vor dieser Herausforderung stand die Stadt Zwönitz beim Bauernmarkt vom 26.9. bis zum 27.9. 2020. In den Vorjahren fand in dieser Zeit das Erntedankfest verbunden mit den Zwönitzer Pferdetagen statt. Diese mussten aber aufgrund der Pandemie dieses Jahr entfallen. Um einen entsprechenden Ersatz zu schaffen, wurde der 1. Zwönitzer Bauernmarkt ins Leben gerufen. Das Marktgelände erstreckte sich über die Innenstadt von Zwönitz und hätte damit entsprechend den geltenden Verordnungen ausreichend Platz für 2.700 Besucher geboten. Unter diesen Voraussetzungen wurde die Veranstaltung zunächst geplant. In der Woche vor Beginn des Marktes kam es jedoch zu einem erhöhten Infektionsgeschehen im Erzgebirgskreis, sodass man die Zahl auf 1.000 Besucher reduzieren musste.

 

Für den Bauernmarkt waren fünf Zu- und Abgänge geplant, an denen die Besucher gezählt wurden.

Digitale Besucherzählung - smarte Ansätze für Zwönitz

Die Herausforderung seitens der Kommune bestand darin, die Besucherzahl gemäß des Hygienekonzeptes einzuhalten. Dies sollte über eine Zählung an den Ein- und Ausgängen des vorgesehenen Innenstadtbereiches erfolgen. An fünf Straßen konnten die Besucher das Marktgelände betreten und wieder verlassen. Zunächst wurde eine manuelle Lösung mit Hilfe von analogen Handklickzählern avisiert. Im Zuge von Smart Zwönitz wurde aber nach einer einfach umsetzbaren, kostengünstigen digitalen Lösung zur Realisierung der Besucherzählung gesucht. Zum einen wollte man den Besuchern ermöglichen, sich im Internet zum aktuellen Stand der Besucherzahl zu informieren. Damit sollten lange Warteschlangen an den Eingängen vermieden werden. Zum anderen sollte auf einen zentralen Koordinator verzichtet werden. Dieser hätte permanent von allen Ein- und Ausgängen die Besucherzahlen erfassen und berechnen müssen, ob weiteren Gästen der Einlass gewährt werden darf oder nicht. Das hätte eine Person aus dem Ordnungsamt gebunden, die dann für anderweitige Tätigkeiten auf dem Markt nicht zur Verfügung gestanden hätte.

Für die technische Lösung wurden folgende Rahmenbedingungen festgelegt:

  1. Die Zählung soll ohne großen Aufwand (Verkabelung, Infrastruktur) an jeder Stelle im Festgebiet möglich sein.
  2. Die Anwendung der Zählung soll möglichst niedrigschwellig und ohne große Reorganisation bestehender Ansätze erfolgen.
  3. Die Zählung soll für kleine Kommunen niedrigschwellig, d.h. kosten- und aufwandsarm umsetzbar sein.
  4. Die Zählung soll auf künftigen Veranstaltungen wieder einsetzbar sein.
  5. Die Zählung soll möglichst genau stattfinden und auch von den Verantwortlichen in der Stadtverwaltung als verlässlich akzeptiert werden.
  6. Die Zählung darf keinen hohen Einarbeitungsaufwand für das Personal erfordern.
  7. Die Zählung soll ohne große Aufwände in die Online-Auftritte der Stadt integriert werden können.
  8. Die Zählung soll datenschutzkonform erfolgen.

Im Vorfeld des Marktes wurden verschiedene technische Lösungen analysiert und am Markt verfügbare Anbieter angefragt. Es wurden einige Angebote abgegeben, jedoch reduzierte sich die Zahl der für uns interessanten Lösungen nach eingehender Prüfung deutlich. So waren kamerabasierte Lösungen aus datenschutzbezogener Erwägung verworfen worden. Hier hätte zunächst ein umfassenderes Datenschutzkonzept erstellt und durch den Datenschutzbeauftragten bestätigt werden müssen. Eine weitere Lösung wäre über die Erfassung und Zählung von Funkstrahlung mobiler Endgeräte (Smartphone etc.) möglich gewesen. Eine solche Lösung wurde aber vonseiten der verantwortlichen Stellen in der Stadt als zu ungenau eingeschätzt. Auch erforderten viele der Lösungen eine Netzwerkverkabelung oder eine stationäre Stromversorgung. Dies hätte zusätzlichen Aufwand vonseiten der Stadt bedeutet.

Letztlich entschied man sich, die ohnehin geplanten Handklickzähler als digitale Lösung umzusetzen. Damit blieb die Einstiegshürde und das technische Risiko gering. Gleichsam wurde aber nicht auf eine “Fertiglösung” gesetzt. Gute Kontakte des Smart City Teams zu ehrenamtlich engagierten Personen beim “The Things Network Mitteldeutschland” und “The Things Network Erzgebirge”  führten zu der Idee, eine community-basierte Lösung zu schaffen, die durch andere Kommunen einfach “nachbaubar” ist. Dazu holte sich die Stadt Zwönitz noch das Startup IoT workplace ins Boot, welches auf die Entwicklung von Lösungen für das Internet der Dinge (IoT – Internet of Things) spezialisiert ist und die Entwicklungsarbeit mit der Community organisiert hat. Ziel des Smart City Teams war dabei auch, ein stadtweites Netzwerk für das Internet der Dinge zu realisieren. Dazu sollte die offene Technologie LoRaWAN zum Einsatz kommen.

Was ist LoRaWAN? Ein offenes Sensor-Netzwerk für alle!

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network und beschreibt eine Technik zum energieeffizienten und kostengünstigen Transfer von Sensordaten, ideal für das Internet der Dinge. Die Technik erlaubt dabei Reichweiten größer 10km unter idealen Bedingungen und 2km im Stadtgebiet. Die Sensoren, auch Nodes genannt, kommunizieren dabei mit einer Sendeleistung von max. 25mW mit den Basisstationen, den Gateways, welche für den Indoor- und Outdooreinsatz verfügbar sind. Diese Gateways stellen die Brücke ins Internet dar. Im Vergleich dazu senden WLAN, LTE oder DECT mit einer Leistung von 100mW-250mW. Durch den Low-Power-Ansatz können die Batterien der Nodes eine Lebensdauer zwischen einigen Monaten bis hin zu mehreren Jahren erreichen. LoRaWAN sendet im öffentlich nutzbaren, lizenzfreien 868-ISM-Band. Hier gelten bestimmte Regeln, um eine gemeinsame Nutzung dieses Frequenzbandes möglich zu machen. Dazu zählt unter anderen, dass der Nutzer nur einen beschränkten Zeitraum hat, um Daten zu senden. Das sichert die Verfügbarkeit der Frequenz für eine breite Öffentlichkeit. Der Umfang der über LoRa übermittelbaren Daten ist relativ klein. Das bedeutet, dass Video- oder Audiodaten nicht über das Funknetz übermittelbar sind. Das ist aber auch nicht Ziel der Technologie. LoRa dient der Übermittlung von Daten für Sensorik- und Aktorik.

Doch was heißt das nun für den einzelnen Bürger? Jeder der Lust und über etwas Affinität zu technischen Dingen verfügt, kann eigene Projekte mit dieser Technologie realisieren. Beispiele für solche Projekte sind zahlreich auf Youtube zu finden. Starter-Kits hierzu kann man günstig bei einschlägigen Online-Händlern erstehen. Es existieren aber auch bereits kommerzielle Lösungen, die diese Form des Funknetzes nutzen. So lassen sich Hochwassersensoren oder Leckagesensoren für das heimische Rohrleitungsnetz auf LoRaWAN-Basis erstellen. Ohne großen Aufwand kann jeder bei sich zuhause ein solches Gateway installieren. Damit fallen keine zusätzlichen Mobilfunkkosten an und die Erfassung und Steuerung von Technik im und ums Haus bzw. in der Stadt wird einfach möglich. Die Stadt Zwönitz stellt mit dem ersten LoRa-Gateway ein solch offenes Funknetz zu Verfügung. Darüber sollen in Zukunft auch andere technische Lösungen der Stadt realisiert werden.

Der IT-Experte Jörg Martin installiert die erste Zwönitzer LoRaWAN-Antenne
Der Experte für das Internet der Dinge, Jörg Martin, bei der Installation des ersten LoRa-WAN-Gateways in Zwönitz.

Der Mannl-Counter - ein technischer Exkurs

Die Besucherzähler-Lösung “Mannl-Counter” wurde im Zuge des Smart Zwönitz-Projektes als offene Lösung entwickelt. Es werden sowohl Baupläne als auch Quellcodes der Lösung öffentlich zur Verfügung gestellt. Damit wird jeder in die Lage versetzt, die Zähler selbst nachzubauen oder nachbauen zu lassen. Im folgenden wird daher ein kurzer Überblick über den technischen Aufbau gegeben.

Die Hardware

Die Hardware des Besucherzählers besteht aus frei auf dem Markt verfügbaren Komponenten. Zum Einsatz kommen dabei folgende Teile:

  • ATTNode auf Basis ATTiny84-Mikroprozessor
  • RFM95W LoRa-Modul mit 868 MHz-Antenne
  • Industrietaster für die Zählung
  • 3,3 Volt-Spannungsversorgung über zwei Batterien (Batteriefach)
  • ein Standard-Handgehäuse

Diese Komponenten wurden durch IoT-Workplace beschafft und durch vier engagierte Personen binnen zwei Wochen zuhause konzeptioniert, zusammengebaut und getestet. Das umfasste die Integration des Tasters ins Gehäuse sowie das Löten der einzelnen Komponenten.

 

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Technischer Aufbau des digitalen Besucherzählers

Was passiert im Hintergrund? - Die Software

Softwarearchitektur des Mannl-Counter
Softwarearchitektur des Mannl-Counter

Wird der Taster gedrückt, wird ein Impuls an den Mikroprozessor geschickt. Dieser Mikroprozessor kumuliert alle Impulse (er zählt fortlaufend jeden Tastendruck) und sendet alle 60 Sekunden den aufsummierten Zählerstand und den kumulierten Zählerstand pro Minute aus. Ein LoRa-Gateway (in unserem Fall, das Gateway auf dem Rathaus) erfasst diese Signale und sendet sie verschlüsselt an zwei verschiedene Server (Backends). Das sichert ab, dass im Falle des Ausfalls eines der Server, der andere noch in der Lage ist, die Daten zu verarbeiten. Damit wird die Funktionsfähigkeit des Besucherzählersystems sichergestellt. Da die Werte verschlüsselt sind, muss eine Entschlüsselung stattfinden. Unmittelbar danach werden die entschlüsselten Werte via dem Nachrichtenprotokoll MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) der Logikschicht bereitgestellt. Die Logikschicht ist die Programmebene in der die eigentliche fachliche Verarbeitung der Daten erfolgt. Dort erfolgt beispielsweise die Benachrichtigung der Mitarbeiter der Stadt per E-Mail, wenn bestimmte Grenzwerte überschritten sind (Alarmierung). Die Programmlogik wird mittels des Integrationsservers NodeRed aufgebaut. Dabei handelt es sich um ein System, in welches man auf grafischer Basis Regeln für die Verarbeitung festlegen kann. Für die Darstellung der Besucherampel, wurde das System EveryoneCounts verwendet, welches im #WirVsVirus-Hackathon der Bundesregierung entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Social Distancing Dashboard, welches auf OpenSource-Basis bereitgestellt wird. Die Ampelfunktion dieses Dashboards wurde in die Website der Stadt Zwönitz eingebunden und als Link über die Social-Media-Kanäle geteilt. Sobald die übertragenen Daten (der Payload) von der Logikschicht für die verschiedenen Berechnungen und Aufbereitung der Daten zu Alarmierung, Visualisierung und Speicherung in einer zeitreihenbasierender Datenbank (InfluxDB) übernommen wurden, wird der Payload im Backend gelöscht.

Warum OpenSource?

Smart Zwönitz ist ein durch das Bundesministerium des Innern, Heimat und Bau und die Kreditanstalt für Wiederaufbau finanziertes Projekt. Die Stadt Zwönitz ist dabei als eine von 13 Modellkommunen in der ersten Staffel ausgewählt worden. Durch die Bereitstellung des Quellcodes und der Bauanleitung möchten wir mit einer konkreten Lösung auf LoRaWAN-Basis zum Wissenstransfer im Sinne eines Modellprojekts beitragen. Gerade für kleine Kommunen sind kommerzielle Angebote häufig schwer zu finanzieren und zu realisieren. Zwar ist auch die von uns aufgezeigte Lösung nicht vollständig kostenneutral, aber sie kann mit regionalen Partnern weiterentwickelt und angewandt werden. Dabei kann auch digitales bürgerschaftliches Engagement (weiter)entwickelt werden. Durch die offene technische Basis ist es möglich, die Lösung gemeinsam mit Schülern bzw. in einem Maker- oder Elektronikverein für das nächste Stadtfest oder den nächsten Weihnachtsmarkt aufzubauen. Hier können neue Interessengruppen für gesellschaftliche Aktivitäten erreicht werden, die sich bisher nicht (z. B. in einem Heimatverein) zivilgesellschaftlich für ihre Kommune engagiert haben. Es steht Kommunen aber auch frei, die Lösung gemeinsam mit Unternehmen (z. B. IoT workplace) (weiter)zuentwickeln. Dadurch können in der Region neue Geschäftsmodelle für Unternehmen entstehen. Gern geht das Smart City Team der Stadt Zwönitz diesen Entwicklungsprozess auch gemeinsam mit anderen Kommunen.

Weiterhin ergibt sich durch die aufgezeigte Lösung ein erster Anwendungsfall für ein städtisches LoRaWAN. In Zwönitz werden die dort installierten Gateways in Zukunft auch für andere Smart-City-Anwendungen eingesetzt.

Erfahrungen im Betrieb

Im Zuge des Bauernmarkts wurde die Lösung erfolgreich angewendet. Die höchste Besucherzahl erreichte der Markt am Sonntag um 14:00 Uhr mit ca. 870 Personen im Marktgelände. Eine Herausforderung stellte die Zahl der Händler und Anwohner dar, die nicht in die Besucherzahl eingerechnet wurden. Dies führte dazu, dass am ersten Tag (starker Regentag mit sehr wenig Besuchern) die Gästezahl ins Minus rutschte, da einige Händler und Anwohner das Festgelände verlassen hatten, ohne ihren Anwohner- und Händlerausweis vorzuzeigen. Ein möglicher Lösungsansatz für die Berücksichtigung der bereits auf dem Festgelände verweilenden Personen wäre der Einsatz von sogannten Pax-Countern, die die Smartphone-Strahlung in der Umgebung zählt. Damit hätte man einen zweiten Wert, den man als Kalibrierungsgröße verwenden könnte.

Bei unvorhergesehenen Herausforderungen reagierten alle Beteiligte sehr schnell. Noch während des ersten Tages wurden durch die Mitglieder des TTN Mitteldeutschland und Erzgebirge sowie durch das Unternehmen IoT Workplace Anpassungen an der Software vorgenommen. Kleinere Performance-Probleme zeigten sich am ersten Tag, die aber schnell gelöst werden konnten. So verzeichneten die Server auf Seiten der Software EveryoneCounts stark gestiegene Zugriffe am Tag des Marktes, sodass am 26.9. um die Mittagszeit die Besucherampel nicht erreichbar war. Am zweiten Tag lief die Besucherampel stabil.

Insgesamt stellen wir, als auch die Verantwortlichen bei EveryoneCounts sehr gute und hohe Zugriffszahlen auf den Websites in den zwei Markttagen fest. So zeigt sich das auch in der Statistik unserer zwoenitz.de-Website.

Besucherzahlen der Website zwoenitz.de in der Zeit des Bauernmarkts

Fazit

Trotz des Regenwetters zum Bauernmarkt am ersten Markttag ist der Bauernmarkt mit insgesamt ca. 3.700 Besuchern am Sonntag als Erfolg zu werten. In Zeiten von Corona wurde durch viele Beteiligte in der Stadt eine tolle Veranstaltung organisiert. Das Smart City Team sowie alle Engagierten aus den TTN Communities und von IoT-Workplace haben dazu ebenfalls einen Beitrag leisten können. Der Einsatz der Besucherampel war ein Erfolg, was uns auch die Nutzerzahlen im Internet aufzeigen. Das Projekt hat aufgezeigt, wie Kommunen, Bürger und Unternehmen gemeinsam an einer stadtgesellschaftlichen Herausforderung arbeiten können und dabei noch eine nachhaltige Lösung geschaffen werden kann, die auch anderen Kommunen zugute kommt. Interessierte Kommunen können sich dazu gern an das Smart City Team der Stadt Zwönitz wenden.

Smart Zwönitz plant gemeinsam mit anderen Kommunen im Erzgebirgskreis unter dem Projekttitel “Kommune zählt” weitere Schritte. Gerade vor dem Hintergrund der anstehenden Weihnachtsmärkte soll das System noch erweitert werden und weitere Sensortechnik zum Einsatz kommen.

Durch die eingesetzten Technologien ist der Grundstein für den Einsatz des Internets der Dinge in Zwönitz gelegt. Die Bürger sind nun aufgerufen, mit ihren Ideen einen Beitrag dazu zu leisten. Hierzu wird es in Zukunft Veranstaltungen von Seiten der Stadt geben. Gern können aber auch Bürger individuell auf uns zukommmen.

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