Die Technik im Detail

Krisenkommunikation und Sensortechnik in einer Box

Die Heinerboxen setzen Sensortechnik in einer resilienten Bauweise um, die auch neue Kommunikationswege und den Schutz von Daten von Anfang an mitdenkt.

Sie sind so gestaltet, dass ihre Sensoren und ihr Kommunikationsnetz auch ohne Strom, Internet oder Mobilfunk funktionieren. Dabei nutzen die Forschenden die vorhandenen Straßenlaternen und sichern Datenschutzaspekte bereits in die Konstruktion mit ab.

Das macht die Heinerboxen langlebig und spart Ressourcen.

Neue Kommunikationsverfahren für die Krise testen

Sensorboxen benötigen ein Kommunikationsnetz, über das sie die gemessenen Daten weiterleiten. Das Netz der Heinerboxen nutzt dafür die Funktechnologie LoRa in Kombination mit bekannteren Funknetzen wie WiFi oder Bluetooth.

LoRa ist eine reichweitenstarke Funktechnologie, die oft für urbane Sensornetze verwendet wird. Ihr Vorteil: Sie kann auch in bebauten Stadtgebieten mehrere Kilometer überbrücken, ihr Stromverbrauch ist sehr gering und die Datenübertragungsrate ebenfalls.

In der Kombination eigenen sich diese Funktechnologien auch, um neue Kommunikationsverfahren zu testen. So könnten die Heinerboxen in Zukunft im Krisenfall nicht nur Sensordaten bereitstellen, sondern beispielsweise auch Warnmeldungen und Handlungsanweisungen der Behörden verbreiten – oder ein Notfallnetz für Notrufe bereitstellen.

Einfach an einer Box per WLAN verbinden und eine simple Website mit Lageinformationen auf dem eigenen Handy angezeigt bekommen? Daran forscht emergenCITY mit den Heinerboxen im Lichtenbergblock weiter.

Resilienz by Design

Die Heinerboxen bauen auf die vorhandene Infrastruktur der Straßenleuchten auf: Nachts nutzen sie die Laternen zur Stromversorgung, tagsüber laufen sie mit einer Batterie. Fallen einzelne Sensoren oder Boxen aus, hat das kaum Auswirkungen auf die anderen Boxen.

Auch wenn der Strom mal für mehrere Tage ausfällt, können die Sensoren weiter messen und Daten liefern. Um im Notfall dabei den Energieverbrauch gering zu halten, gibt es die Option, Sensoren auch einzeln abzuschalten. Und auch das Funknetz funktioniert, wenn Internet und das Mobilfunknetz ausfallen.

Sensoren für Mikroklima

Jeweils drei Sensoren messen Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit.

Durch die hohe Anzahl an Sensoren für das Mikroklima auf vergleichsweise kleiner Fläche im Lichtenbergblock lassen sich Veränderungen im Mikroklima mit sehr hoher räumlicher Auflösung evaluieren.

Wo befinden sich Hitzeinseln im Quartier? Lassen sich räumlich begrenzte Effekte durch Begründung oder Entsiegelung feststellen?

Feinstaubsensor

Der Feinstaubsensor misst Kleinstpartikel unter 2,5 Mikrometer in der Luft.

Mit den Feinstaubmessungen lassen sich keine belastbaren Aussagen zu einzelnen Grenzwertüberschreitungen an den Sensoren treffen. Auch hier gilt jedoch: Über das engmaschige Sensornetz können wiederkehrende Zeiten und Räume ausgemacht werden, die belasteter sind als andere.

Gibt es Zeiten, zu denen die Feinstaubbelastung besonders schlimm ist? Gibt es Orte, die besonders stark mit Feinstaub belastet sind? Lassen sich hier die Quellen ausmachen?

Lichtsensor

Der Lichtsensor misst durch ein kleines Fenster oben an der Box das gesamte Lichtspektrum: Von Infrarot bis UV-Strahlung.

Die gemessenen Lichtwerte ergänzen und spezifizieren in der Analyse die Daten zum Mikroklima.

Greifen Begrünungsmaßnahmen für mehr Schatten? Wo entsteht Hitze durch Sonneneinstrahlung und wo durch andere Aktivitäten?

Smarter Geräuschsensor

Dieser Sensor misst die Lautstärke und klassifiziert Geräusche in vorgegebene Kategorien. Dazu nimmt ein Mikrofon zehnsekündige Geräuschschipsel auf, die mittels maschinellen Lernens analysiert und dann verworfen werden.

Weitergegeben werden nur die Lautstärke und mit welcher Wahrscheinlichkeit welches Geräusch zu hören war.

Lärmpegel und Geräuschklassifizierung ermöglichen es nicht nur Lärmbelastungen zu ermitteln. Mit dieser Kombination können Forschende genauer zu differenzieren, welche Lärmarten – von Hundegebell bis Motorengeräuschen – in der gemessenen Lautstärke als störend wahrgenommen werden.

Sind auf Berechnungen basierende Lärmwerte für das Quartier zutreffend? Was ist störender Lärm im Viertel?

Abstandssensor

Ein LiDAR (Light Detection and Ranging) Sensor sendet Laserimpulse aus. Ist etwas im Weg, registriert er das – ähnlich einem piependen Parksensor im Auto.

Forschende wollen den Abstandssensor auf Straßen und Sitzgelegenheiten ausrichten, um herauszufinden, wie öffentliche Flächen genutzt werden.

Wie viel werden Sitzgelegenheiten genutzt? Wie viele Autos fahren auf einer Straße am Tag? Lassen sich aus Korrelationen mit Lärm, Feinstaub, Temperatur und Gerätedaten Veränderungen von Verkehrsflüssen feststellen?

Antenne für Bluetooth und WiFi

Diese Antenne baut in Ergänzung zum LoRa Netz lokale Funkverbindungen auf. Darüber können sich auch Smartphones mit dem Netz der Heinerboxen verbinden.

So können die Heinerboxen ein Notfallkommunikationsnetz bereitstellen. Außerdem können über die Bluetooth-Verbindung Schätzungen zur Anzahl der Geräte in der unmittelbaren Umgebung die Analysen zur Flächennutzung mit dem Abstandssensor verbessern.

Antenne für LoRa

Die LoRa-Antenne baut ein reichweitenstarkes und energiesparendes Funknetz auf. Darüber kommunizieren die Heinerboxen ihre Messwerte – oder im Krisenfall miteinander.

Dieses Standartfunknetz für Sensornetze stellt sicher, dass die Heinerbox schon in ihrem Design nur für die Übertragung kleinster Datenmengen geeignet ist.

GPS Antenne

GPS stellt nicht nur genaue Positionen, sondern auch Datum und Uhrzeit bereit.

So können die Daten aller Boxen miteinander in Verbindung gesetzt werden.

Mainboard

Die selbstentwickelte Platine hilft den Forschenden nicht nur Sensordaten zu messen, sondern auch neue, krisensichere Kommunikationsverfahren auszuprobieren.

Durch den Entwurf eines eigenen Mainboards sind Resilienz.

Datenschutz und Kommunikationsfähigkeiten bei der Konstruktion der Box von Anfang an mitgedacht und integriert.

Luftkanal

Der Luftkanal beherbergt Sensoren und hält die Elektronik im Inneren der Box trocken.

Der Kanal macht die Sensoren wetterfest und langlebig.