Technik
Licht 2 | 2021

Mit zukunftsfähigem Licht zur Smart City

Funktechnologien für smarte Beleuchtungsanwendungen im Außenbereich

Vernetzung, Effizienz, Lebensqualität – die Smart City ist für Menschen und Unternehmen gleichermaßen attraktiv und damit das erklärte Ziel vieler Kommunen und Städte. Grundlage für viele smarte Anwendungen im urbanen Umfeld ist eine intelligente Beleuchtungsinfrastruktur. Doch welche Technologie ist die richtige?

Lesezeit: ca. 6 Minuten

Als »Backbone« der smarten Stadt kristallisiert sich zunehmend die urbane Beleuchtungsinfrastruktur heraus, deckt sie doch das komplette Stadtgebiet ab und ist zudem vergleichsweise leicht nachzurüsten. In großen Schritten Richtung Smart City geht unter anderem die Stadt Dortmund. Derzeit realisiert die Ruhrmetropole das größte digitale Straßenbeleuchtungsprojekt Deutschlands. Bis 2023 sollen rund 25.000 Lichtpunkte auf LED umgerüstet und an ein funkbasiertes Lichtsteuerungssystem angebunden werden. Künftig wird so jeder Lichtpunkt einzeln anzusteuern und zu überwachen sein. Heute schon melden die modernisierten Lichtpunkte neben dem Lampenstatus und dem Zustand der Funkverbindung auch Verbrauchsdaten und Störungen. Zusätzlich können je nach Bedarf neue Lichtprofile aufgespielt werden.

Das ist nur der Anfang. Ausgestattet mit der richtigen Sensorik, etwa Präsenzmeldern oder Tageslichtsensoren, sind im urbanen Umfeld mit einer modernen Beleuchtungsinfrastruktur weitaus anspruchsvollere Anwendungen denkbar. So lassen sich über ein breites Netzwerk an entsprechend ausgerüsteten und vernetzten Lichtpunkten beispielsweise die Verkehrsflüsse innerhalb eines Stadtgebiets analysieren und Ampelschaltungen entsprechend anpassen. Denkbar wäre auch ein an die Beleuchtung geknüpftes Parkleitsystem. Immer attraktiver werden darüber hinaus sogenannte Light-on-Demand-Konzepte, bei denen die Lichtsteuerung bedarfsorientiert reagiert. Das schafft mehr Sicherheit für Anwohner und senkt den Energiebedarf und damit die Betriebskosten.

Für solche elaborierten Anwendungen muss die zugrunde liegende Technologie eine entsprechend komplexe Kommunikation ermöglichen. Das Netzwerk muss breit genug aufgestellt sein, um eine ausreichend schnelle Datenübertragung zwischen der verbauten Sensorik und den Leuchten sowie zwischen den verschiedenen Lichtpunkten zu erlauben. Für welche Technologie sollen sich die Verantwortlichen in Städten und Kommunen also entscheiden? Hilfreich kann dabei ein Digitaler Masterplan für die Kommune sein, der klare Orientierung für die Anforderungen an die auszuwählende Technologie bietet. Beratung dafür bieten Technologieunternehmen, die Projekte in anderen Kommunen realisiert haben.

Abb.: Ausgestattet mit Sensorik sind im urbanen Umfeld mit einer modernen Beleuchtungsinfrastruktur anspruchsvolle Anwendungen denkbar. Tridonic

Die Außenbeleuchtung von morgen ist drahtlos

Drahtgebundene Lösungen in der Außen- und Straßenbeleuchtung sind mit hohem Aufwand und Kosten von mehreren Hundert Euro pro Quadratmeter verbunden. Deshalb gewinnen Lösungen mit Funktechnologien an Bedeutung. Sie sind kostengünstiger und lassen sich im Nachhinein jederzeit problemlos erweitern oder anpassen. Funk ist für die Außenbeleuchtungssteuerung also die bessere Wahl. Doch die Auswahl an Funktechnologien und Anbietern ist groß.

Um möglichst wenige Risiken einzugehen, sollte die gewählte Technologie einige relevante Bedingungen erfüllen. So ist es essenziell, dass sie zukunftsfähig ist. Städte und Kommunen sollten deshalb Technologien wählen, die auf fest definierte Standards wie den globalen Schnittstellenstandard Zhaga oder das Busprotokoll DALI D4i setzen. Funksysteme, die innerhalb der EU in Betrieb genommen werden, müssen seit Mitte 2017 zudem den Anforderungen der Europäischen Funkanlagen-Richtlinie (RED) entsprechen – und vor Inbetriebnahme diesbezüglich getestet werden.

Dabei sollte die gewählte Technologie auch extrem zuverlässig sein. Denn die Kosten für den Ausfall der Beleuchtung in einer Straße können inklusive Straßensperrungen und Austausch defekter Geräte schnell mehrere Tausend Euro betragen. Zudem gefährdet unzuverlässige Beleuchtung Passanten und Bewohner. Auch die Langlebigkeit spielt eine zentrale Rolle. Die vom Anbieter garantierte Lebensdauer sollte mindestens zwischen acht und zehn Jahren liegen. Zudem sollte die Technologie sicher genug sein, um den Zugriff von unbefugten Dritten auszuschließen.

Wichtig ist außerdem die Kompatibilität und Interoperabilität der gewählten Technologie. Das spielt bei einer späteren Erweiterung des Systems eine Rolle und ist ebenso bedeutsam, wenn Fördermittel für die Lichtinfrastruktur beantragt werden sollen. So unterstützt die EU Smart-City-Projekte nur, wenn die zugrunde liegende Technologie mindestens von drei verschiedenen Lieferanten beherrscht wird. Von proprietären Lösungen ist also generell abzuraten. Ein nicht zu unterschätzender Aspekt bei der Auswahl ist außerdem die Benutzerfreundlichkeit der Lösung bezogen auf Installation, Nutzung und Wartung. Die leistungsfähige Technik sollte sich ohne großen Aufwand warten, reparieren oder erweitern lassen.

Abb.: Bei einer Pilot-Installation in Darmstadt wurden LED-Leuchten mit integrierten PIR-Sensoren von Tridonic ausgestattet. Sie erkennen Bewegungen und steuern die Helligkeit der Leuchten nach Bedarf. Tridonic

Funk ist nicht gleich Funk

Sind die Grundlagen geklärt gilt es, den Blick auf Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Funktechnologien zu richten. LoRaWAN, ZigBee, Bluetooth, 6LoWPAN, 3/4G und NB-IoT – die verfügbaren gängigen Funkprotokolle sind fast so vielfältig wie die Anbieter von funkbasierten Lösungen für die Außenbeleuchtung. Die Topologie der Außenbeleuchtung ist geprägt durch den Abstand zwischen den Masten und möglicher Störquellen dazwischen – das sind feste Störgrößen wie Gebäude oder temporäre Störgrößen wie Unwetter. Unter diesen Bedingungen empfiehlt es sich, auf Sub-GHz-Lösungen zu setzen. Dabei handelt es sich um Funkprotokolle, die auf niedrige Funkfrequenzen unter 1 GHz setzen (EU: 868 MHz; USA: 915 MHz, Japan: 950 Mhz). Sie erreichen eine höhere Reichweite als Bluetooth oder ZigBee, die mit dem Funkfrequenzband 2,4 GHz funken. Der Grund: Funkfrequenzen unter 1 GHz werden weniger stark von physikalischer Materie wie Gebäuden oder Bäumen absorbiert.

Auf dem Markt verfügbar sind darüber hinaus Funkkommunikationslösungen, die auf 3G, 4G und NB-IoT setzen. Sie verfügen über eine hohe Reichweite und Datenübertragungsgeschwindigkeit. Allerdings ist die verfügbare Bandbreite bei 3G ebenso wie bei 4G stark abhängig vom jeweiligen Mobilfunknetzbetreiber und den Umgebungsbedingungen, zudem kann eine eventuelle Abschaltung von 3G Probleme für entsprechende Installationen mit sich bringen.

Eine Frage der Netzwerktopologie

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Netzwerktopologie. Deutlich macht das ein beispielhafter Vergleich der Sub-GHz-Lösungen LoRaWAN und 6LoWPAN. Basiert die Kommunikation von LoRaWAN, einem sternförmigen Funknetzwerk, auf einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem Endknoten und einem zentralen Gerät, kommuniziert das vermaschte Funknetzwerk (Mesh-Netz) 6LoWPAN über eine Vielzahl von Knotenpunkten, von denen jeder Informationen empfangen und übertragen kann. Das beschleunigt die Kommunikation und damit die Datenübertragungsrate innerhalb des Funknetzwerks. Damit erweitern sich die Möglichkeiten, sodass Sensoren eingebunden und damit elaborierte Smart-Lighting-Anwendungen wie Licht nach Bedarf machbar sind.

Trotz einer Reichweite von mehreren Kilometern und einer stabilen Funkverbindung erschwert die spezifische Netzwerktopologie von LoRaWAN-Netzen dagegen die Umsetzung solch smarter Anwendungen. Weil die Kommunikation wie auch bei 3G und 4G immer über eine Basisstation erfolgen muss, kann die Übertragung von Daten – je nach Größe des Netzwerks – bis zu eine Minute dauern. Eine lange Zeit, in der ein vorbeifahrendes Auto schon an der fraglichen Leuchte vorbeigefahren wäre, bevor diese das Signal zum Anschalten des Lichts von der Basisstation erhalten hätte.

Ziel ist es jedoch, dass die Leuchte schon eine höhere Lichtstärke liefert, bevor das Fahrzeug sich nähert und damit keine irritierenden Effekte für den Fahrer auftreten. Für ein solches vorauseilendes Licht muss das Signal sehr schnell von Leuchte zu Leuchte übertragen werden. Bei 3G, 4G und NB-IoT muss das Signal zunächst an eine Station gesendet werden und von dort aus an die mit ihr vernetzten Leuchten. Weitere Vorteile vermaschter Funknetzwerke wie 6LoWPAN sind ihre Flexibilität und Robustheit: Ändert sich die Umgebung oder fällt ein Knoten aus, kann das Mesh-Netz weiter agieren, während ein sternförmiges Funknetz ausfallen würde.

Abb.: Funkmodule vernetzen Leuchten in Darmstadt untereinander und geben das Signal weiter. Die Datensicherheit wird durch verschlüsselte Datenübertragung sichergestellt. Tridonic

Den Blick auf die Zukunft richten

Neben der Erfüllung formaler Kriterien wie Standards und Normen erweisen sich besonders diejenigen Technologien als praktikable Lösungen für die Außen- und Straßenbeleuchtung, die auf Funkprotokolle im Sub-GHz-Bereich setzen. Stabile Funkverbindungen und hohe Reichweiten allein reichen heute aber nicht mehr aus. Mit der Verbreitung von Smart-City-Anwendungen wie Light-on-Demand wachsen die Anforderungen an das verwendete Funkprotokoll. Zukunftsfähig sind Investitionen in eine smarte Beleuchtungsinfrastruktur daher nur, wenn die zugrunde liegende Technologie auch für solche Applikationen sicher und leistungsstark genug ist.

Hier haben Technologien Vorteile, die auf Mesh-Kommunikation setzen. Sie sind in der Lage, das erhöhte Datenaufkommen durch eingebundene Sensoren zu verarbeiten und übertragen die Daten schnell genug, um moderne Anwendungen, wie die bedarfsabhängige Lichtsteuerung umzusetzen. Sie erlauben zudem das Einspielen von Updates oder neuen Funktionen. Systeme dieser Art lassen sich ebenso flexibel wie leicht erweitern. So steht dem Schritt hin zur Smart City nichts mehr im Weg.

3/4G und NB-IoT

WiFi – Bluetooth

WiFi – Zigbee

6LoWPAN

LoRaWAN

Ghz Netzwerk

Mobilfunk

Breitband

Sub-GHz

Netzwerktopologie

Sternnetz

Mesh-Netz

Mesh-Netz/2,4 GhZ

Mesh-Netz

Sternnetz

Up-/Download

3G: 7 MBps (HSPA)4G:100 M/5 M (LTE)

~15-250 kbit/s

250 kbit/s

200 kbit/s

20 kbit/s

Licht nach Bedarf

nein,erfordert Kommunikation mit Basisstation

ja

ja

ja

nein,erfordert Kommunikation mit Basisstation

Reichweite

800 m

20-50 m

100-200 m

200 m

2-5 km

Datenübertragungsgeschwindigkeit

<5 s*

n/a

<5 s

<5 s

~1 min

Durchnittl.
Energieverbrauch

n/a

n/a

>0,5 W

>0,29 W

sehr niedrig

* Abhängig vom Netzbetreiber und den Umgebungsbedingungen.

Weitere Informationen:

www.tridonic.com

Text: Waldemar Becker, Global Product Manager Outdoor, Tridonic

Fotos: Tridonic

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 2 | 2021

Erschienen am 25. März 2021