Ein mioty-Smart-City-Netz ist ein einziges Funknetz, das der Stadt gehört oder in ihrem Auftrag betrieben wird und die Messwerte Tausender batteriebetriebener Sensoren im gesamten Stadtgebiet überträgt: von Parkplätzen, Abfallbehältern, Luftmessstationen, Wasserzählern und Flusspegeln. Einige Dutzend Basisstationen auf Dächern und Masten empfangen diese Messwerte und geben sie an eine Software weiter, in der jedes Amt seinen eigenen Teil sieht. mioty ist ein Funkstandard für große Reichweiten und geringen Energieverbrauch, der für sehr hohe Gerätezahlen ausgelegt ist – genau das Problem, das eine Stadt hat, sobald sie über ihr erstes Pilotprojekt hinaus ist.

Die meisten Städte beginnen Smart-City-Projekte Amt für Amt. Die Parkraumbewirtschaftung kauft Parksensoren mit eigenem Netz und eigener App, die Abfallwirtschaft kauft Füllstandssensoren mit einem zweiten, und das Umweltamt betreibt ein drittes System für die Luftqualität. Fünf Jahre später gibt es drei Netze, drei Verträge und drei Logins, und niemand kann eine überflutete Unterführung neben die Niederschlagswerte legen, die sie vorhergesagt haben. Ein gemeinsames Netz verhindert diese Zersplitterung.

Kurz erklärt

  • mioty ist ein von ETSI standardisierter Langstreckenfunk, der jede Nachricht in kurze Bursts aufteilt, sodass sich sehr viele Sensoren dasselbe Frequenzband teilen können.
  • Ein stadtweites mioty-Netz kann Park-, Abfall-, Umwelt- und Zählersensoren gleichzeitig anbinden, weil jeder nur kleine, gelegentliche Nachrichten sendet.
  • In einer Stadt bestimmt meist die Abdeckung (Straßen, Keller, Tiefgaragen) die Zahl der Basisstationen, lange bevor die Kapazität eine Rolle spielt.
  • Die Software ist genauso wichtig wie der Funk: Ämter brauchen auf der gemeinsamen Infrastruktur ihre eigenen Ansichten, Regeln und Alarmempfänger.

Was kann ein mioty-Smart-City-Netz überwachen?

Alles, was ab und zu einen kleinen Messwert liefert und mit Batterie läuft, passt ins Profil. Typische Kandidaten in einer Stadt sind:

  • die Belegung von Parkplätzen, gemessen von Sensoren, die in die Fahrbahn eingelassen oder darauf geklebt sind
  • Füllstände von Abfallbehältern, Altglascontainern und öffentlichen Papierkörben
  • Luftqualität, Lärm und Temperatur auf Straßenniveau
  • Wasser-, Wärme- und Gaszähler in städtischen Gebäuden und Wohnungen
  • Wasserstände in Flüssen, Regenwasserkanälen und Unterführungen
  • der Zustand von Toren, Klappen und Pumpenraumtüren, offen oder geschlossen

Gemeinsam ist ihnen das Nachrichtenmuster. Ein Parksensor meldet sich, wenn ein Auto ankommt oder wegfährt, vielleicht 20- bis 40-mal am Tag. Ein Füllstandssensor im Abfallbehälter meldet vielleicht stündlich. Ein Zähler meldet stündlich oder täglich. Jede Nachricht umfasst wenige Bytes. Keiner davon braucht eine schnelle Verbindung, und alle müssen jahrelang laufen, ohne dass jemand auf eine Leiter steigt.

Der Nutzen entsteht durch das, was die Ämter mit diesen Messwerten machen. Die Abfallsammlung ist das klassische Beispiel. Eine Stadt, die 1.200 Behälter auf einer festen wöchentlichen Tour leert, fährt jeden Behälter an, ob er voll oder fast leer ist. Mit Füllstandsdaten lassen sich in die Tour nur Behälter aufnehmen, die zu mehr als, sagen wir, 70 % gefüllt sind, plus jene, die diese Marke vor der nächsten Runde überschreiten werden. Parkdaten speisen Parkleitschilder und Apps, die freie Plätze pro Straße anzeigen. Pegel an Flüssen und Kanälen warnen frühzeitig, bevor eine Unterführung vollläuft. Messwerte zu Luftqualität und Lärm zeigen, welche Straßen lokale Grenzwerte überschreiten und wann – wichtig für die Verkehrsplanung und dafür, Beschwerden von Anwohnern mit Daten zu beantworten.

Nicht ins Profil passt alles mit hoher Datenrate. Video, Live-Audio und Straßenbeleuchtung, die sofort gedimmt werden soll, gehören in andere Netze, etwa Glasfaser, WLAN oder Mobilfunk.

Dass mioty zu diesem Profil passt, liegt an einem Verfahren namens Telegram Splitting. Ein mioty-Gerät zerlegt jede Nachricht in viele sehr kurze Teilpakete und sendet sie zu unterschiedlichen Zeiten auf unterschiedlichen Frequenzen. Die Basisstation setzt die Nachricht auch dann wieder zusammen, wenn bis zur Hälfte dieser Teilpakete durch Störungen verloren geht. Das hilft in einer Stadt, in der sich das lizenzfreie 868-MHz-Band Alarmanlagen, Fernbedienungen, Zähler und andere Netze teilen. Der zugrunde liegende Standard ist ETSI TS 103 357, entwickelt aus Arbeiten des Fraunhofer IIS.

Wie viele Basisstationen braucht eine mioty-Smart-City?

Beginnen Sie mit der Kapazität, denn die lässt sich schnell abhaken. Die von Fraunhofer IIS und der mioty Alliance veröffentlichten Werte liegen bei bis zu 110.000 Endgeräten pro Basisstation und bis zu 3,5 Millionen Nachrichten pro Tag und Basisstation, bei kleinen Payloads, die etwa stündlich gesendet werden. Das sind Protokollwerte; reale Netze liegen darunter.

Für eine mittelgroße Stadt sieht die Last mit beispielhaften Gerätezahlen und Intervallen so aus:

Sensortyp Geräte Nachrichten pro Gerät und Tag Nachrichten pro Tag
Parkplätze 2.500 30 75.000
Abfallbehälter 1.200 12 14.400
Luftqualität und Lärm 150 144 21.600
Städtische Zähler 400 24 9.600
Pegelmesser 60 96 5.760
Gesamt 4.310 126.360

Diese Summe liegt unter 4 % dessen, wofür eine einzige Basisstation ausgelegt ist. Die Zahl der Basisstationen hängt also von der Abdeckung ab.

Laut Protokoll beträgt die Reichweite etwa 2,5 km pro Basisstation, doch Städte sind voller Dinge, die sie verkürzen: Beton, Stahl, parkende Autos über in den Boden eingelassenen Parksensoren, Metalldeckel auf Abfallbehältern und Zähler in Kellern. Planen Sie in der dichten Innenstadt mit einem effektiven Radius von 1 km, deckt jede Basisstation etwa 3 km² ab. Ein Kerngebiet von 30 km² braucht dann rund 10 Standorte, noch ohne Überlappung, und in der Praxis planen die Verantwortlichen Überlappung ein, damit die meisten Sensoren von zwei Basisstationen empfangen werden. Diese Redundanz sorgt dafür, dass weiter Messwerte ankommen, wenn an einem Standort der Strom ausfällt oder ein Kran einen Monat lang die Sichtverbindung blockiert.

Gute Standorte sind solche, über die die Stadt ohnehin verfügt: Dächer von Schulen, Feuerwachen und Rathäusern, Wassertürme und Lichtmasten mit Stromanschluss. Jede Basisstation braucht Strom und eine Backhaul-Verbindung, also Glasfaser, Ethernet oder eine Mobilfunk-Datenverbindung. Eine Funkausleuchtung mit Testgeräten an den schwierigsten Stellen, etwa in einer Tiefgarage, einem Zählerraum im Keller und auf einem Parkplatz auf Straßenniveau, verrät mehr als jede Abdeckungskarte. Notieren Sie an jedem Testpunkt die Signalstärke, denn diese Werte werden zur Referenz, wenn ein Sensor später Meldungen auslässt.

In den Boden eingelassene Parksensoren brauchen einen eigenen Test. Sie liegen bündig im Asphalt, ihre Antenne zeigt also zum Himmel und befindet sich einen Großteil des Tages unter dem Stahlboden eines Autos. Ein Sensor, der von einem leeren Parkplatz aus problemlos eine Basisstation erreicht, kann Schwierigkeiten bekommen, sobald ein Transporter darauf parkt. Basisstationen höher zu montieren, sodass sie die Straße hinunter- statt quer über sie blicken, hilft meist mehr als eine höhere Sendeleistung, die ohnehin gesetzlich begrenzt ist.

Das Netz braucht auch einen Verantwortlichen. Jemand muss Vertragspartner für die Basisstationen sein, ihre Software aktuell halten, ein ausgefallenes Gerät ersetzen und entscheiden, welches Amt welche Geräte hinzufügen darf. Städte übertragen diese Rolle meist ihrer IT-Abteilung, einem Stadtwerk oder einem Dienstleister mit Servicevertrag. Da Sensorbatterien oft für 10 Jahre oder mehr ausgelegt sind, ist es sinnvoll, auch das Netz für mindestens diesen Zeitraum zu planen – einschließlich der Frage, wer die Batteriewechsel plant, wenn die erste große Charge von Sensoren das Ende ihrer Lebensdauer erreicht.

mioty oder LoRaWAN für die Smart City?

LoRaWAN ist für städtisches IoT die bekanntere Wahl, deshalb liegt der Vergleich nahe.

Der Vorteil von LoRaWAN ist sein Ökosystem. Es gibt dafür weit mehr Sensormodelle, viele Städte haben aus früheren Projekten bereits LoRaWAN-Gateways, und in manchen Ländern betreiben Netzbetreiber oder Communitys öffentliche LoRaWAN-Netze. Braucht ein Amt morgen einen bestimmten Sensor, ist die Chance groß, dass es ihn als LoRaWAN-Version gibt.

Der Vorteil von mioty sind Dichte und Robustheit. Telegram Splitting wurde so entwickelt, dass sich sehr viele Geräte ein Band teilen können, ohne dass sich ihre Nachrichten gegenseitig zerstören, und es verträgt Störungen in einem stark belegten Spektrum besser. mioty ist außerdem ein formeller ETSI-Standard. Der Nachteil ist ein kleineres, jüngeres Gerätesortiment, daher muss für jeden Sensortyp im Plan geprüft werden, ob es eine mioty-Version gibt, bevor das Netzdesign feststeht.

Viele Städte werden beides betreiben. Ein mioty-Netz für Sensoren mit hoher Dichte und langer Lebensdauer wie Zähler und Parksensoren, daneben vorhandene LoRaWAN-Gateways für Spezialsensoren, ist ein sinnvoller Aufbau – vorausgesetzt, die Daten landen an einem Ort statt in zwei getrennten Systemen.

Am besten fällt die Entscheidung Sensortyp für Sensortyp. Listen Sie jeden Sensortyp im Plan mit erwarteter Stückzahl, Sendeintervall und Montageort auf. Typen mit Tausenden Einheiten, häufigen Nachrichten oder schwierigen Standorten sind starke Kandidaten für mioty, sofern es eine mioty-Version gibt. Typen mit einigen Dutzend Einheiten und einer speziellen Messgröße, etwa ein bestimmtes Gas oder ein Bauwerkssensor an einer Brücke, gibt es oft nur für LoRaWAN, und das ist in Ordnung. Die Liste zeigt auch, wo sich die beiden Netze überschneiden würden, was hilft, Basisstationen und Gateways auf denselben Dächern unterzubringen.

Welche Smart-City-Plattform funktioniert mit mioty?

Eine mioty-Basisstation braucht ein Service Center, so heißt bei mioty der Netzwerkserver, der die Geräte verwaltet und ihre Messwerte weitergibt. Danach braucht die Stadt eine Software, in der die Ämter ihre Sensoren sehen, Grenzwerte festlegen und Alarme erhalten.

Bei Kilo gibt es das Service Center in drei Varianten: als quelloffenes Kilo mioty Service Center, das die IT der Stadt auf eigenen Servern betreiben kann; als Enterprise-Edition, die in Kilo Cloud integriert ist – dort fügen Sie einen mioty-Konnektor hinzu, verbinden die Basisstationen damit und betreiben selbst keine mioty-Infrastruktur; oder als Enterprise-Edition, die Kilo auf Anfrage lizenziert und on-premises bei der Stadt installiert. mioty- und LoRaWAN-Geräte teilen sich dann eine Organisation, dieselben Dashboards und dieselben Regeln.

Die Aufteilung zwischen den Ämtern erfolgt über die Alarme. Jeder Alarm eskaliert in Stufen, jede mit eigenen Empfängern und Zustellkanälen. So alarmiert ein voller Behälter die Müllabfuhr, während ein steigender Flusspegel den Ingenieur in Rufbereitschaft erreicht und, wenn niemand reagiert, den diensthabenden Leiter.

Häufige Fragen zu mioty in der Smart City

Wird mioty in Smart-City-Projekten eingesetzt?

Smart Cities sind eines der Anwendungsfelder, die die mioty Alliance neben Zählerwesen, Industrie und Gebäuden bewirbt. Das Ökosystem ist jünger als das von LoRaWAN, deshalb prüfen die meisten Städte, die mioty in Betracht ziehen, zunächst, welche ihrer geplanten Sensortypen mit mioty-Funk verfügbar sind, und starten dann ein Pilotprojekt in einem Stadtteil.

Braucht ein mioty-Smart-City-Netz einen Mobilfunkbetreiber?

Nein. mioty arbeitet im lizenzfreien Spektrum, daher installiert und betreibt die Stadt oder ein Dienstleister die Basisstationen, und Sensoren brauchen kein Abonnement pro Gerät. Die Basisstationen selbst brauchen dennoch eine Internet- oder private Netzwerkverbindung zum Service Center, und in Europa muss jedes Gerät die Duty-Cycle-Grenzen einhalten, die für das 868-MHz-Band gelten.

Ist mioty sicher genug für die Smart City?

Der mioty-Standard verschlüsselt und authentifiziert Nachrichten mit AES-128 und einem für jedes Gerät eigenen Schlüssel, sodass niemand, der auf derselben Frequenz mithört, einen Messwert lesen oder fälschen kann. Die praktischen Risiken liegen woanders: Geräteschlüssel, die per Tabellendatei weitergegeben werden, Basisstationen mit Standardpasswörtern und Dashboards, die zu breit geteilt werden.

Drei Abfallbehälter und zwei Luftmesspunkte in derselben Straße ergeben ein Pilotprojekt in einem Stadtteil mit Sensoren aus zwei Ämtern. Legen Sie alle fünf auf ein Dashboard und fügen Sie eine Regel hinzu, die einen Alarm auslöst, wenn ein Behälter zu mehr als 80 % gefüllt ist; ein Pilotprojekt dieser Größe läuft im kostenlosen Tarif von Kilo. Nach einem Monat wissen Sie, wie oft jeder Sensor meldet, wie zuverlässig der Funk auf Straßenniveau ist und ob die Ämter auf einen gemeinsamen Bildschirm schauen.