Auf der richtigen Frequenz – LoRaWAN als Zukunft der Füllstands- und Pegelüberwachung

Von Barcelona nach Heidelberg

Eines dieser Folgeprojekte spielte sich unweit des Mannheimer Pepperl+Fuchs Hauptsitzes ab und sollte einen weiteren Meilenstein auf dem Weg zum Serienprodukt markieren: Im Verbund mit der Digital-Agentur Heidelberg, SAP und Smart City Solutions konzipierte Pepperl+Fuchs im Jahr 2018 eine Lösung, um Füllstände von Entsorgungsbehältern im Heidelberger Stadtgebiet mittels funkbasierter Sensoren via LoRaWAN an eine IoT-Plattform zu übermitteln. „Dafür kapselten wir einen Ultraschallsensor, dessen Wandler mit einer PTFE-Schutzfolie überzogen ist, gemeinsam mit einem Funkmodul und einer Batterieeinheit in einem speziellen IP66/67-Gehäuse“, berichtet Möst. „So war die Sensorik für die widrigen Umgebungsbedingungen in Entsorgungscontainern entsprechend robust ausgelegt.“

Die erfolgreichen Testläufe zeigten, dass Pepperl+Fuchs hier im Begriff war, ein Produkt mit großem Potenzial zur Serienreife zu bringen: Was zu dieser Zeit noch unter dem nüchternen Arbeitstitel „IoT-Sensor“ in den sprichwörtlichen Kinderschuhen steckte, erreichte wenig später unter dem einprägsamen Namen „WILSEN“ den breiten Markt der öffentlichen Versorger und Entsorger.

Freiburg entsorgt intelligent

Heute, einige Jahre später, ist der WILSEN zu einem unverzichtbaren Bestandteil einer stetig wachsenden Anzahl von Entsorgungsbehältern in ganz Deutschland geworden. In die Liste der Städte und Gemeinden, die den batteriebetriebenen Ultraschallsensor aus dem Hause Pepperl+Fuchs für sich entdeckt haben, reiht sich auch Freiburg im Breisgau ein. Rund 350 Glascontainer warten hier im gesamten Stadtgebiet auf regelmäßige Abholung und Entleerung durch die Abfallwirtschaft und Stadtreinigung Freiburg (ASF).

Weniger Emissionen dank optimierter Routen

Insbesondere in den schwächer frequentierten Außenbezirken, die für Entsorgungsfahrzeuge nur nach längeren Fahrtwegen zu erreichen seien, versprächen die zusätzlichen intelligenten Container großes Potenzial für weitere Routenoptimierungen. „In erster Linie profitieren natürlich die Freiburger Bürger von den smarten Containern. Perspektivisch wollen wir gemeinsam mit der ASF eine vollständig automatisierte Routenplanung realisieren. So lassen sich Emissionen und Verkehrsbehinderungen im Stadtgebiet reduzieren. Aber auch dem Ärgernis überquellender Behälter können wir mit den smarten Containern effektiv entgegenwirken“, kündigt Dachtler an. Aufgrund des innovativen Charakters sei dieses Vorhaben auch Teil des Reallabor-Projekts „Smart Region Südbaden“ der badenovaNETZE und ihres Kooperationspartners Thüga AG. Im Rahmen dieses Projekts wurden in der Vergangenheit bereits diverse Smart-City-Anwendungsbeispiele aus den Bereichen Mobilität, Gebäude, Umweltschutz und technische Betriebe für verschiedene Kommunen entwickelt. „So haben wir die Möglichkeit, den Mehrwert von Smart-City-Anwendungsfällen für die teilnehmenden Kommunen erlebbar zu machen und den Erkenntnisaustausch untereinander zu fördern“, hebt Dachtler hervor.

Austausch unter Branchenexperten

Dass die Wahl in Freiburg auf den WILSEN fiel, war einem Tipp durch einen ehemaligen Projektpartner zu verdanken: Dieser hatte schon gute Erfahrungen mit dem Ultraschallsensor gemacht und ihn badenovaNETZE weiterempfohlen. „Wir waren auf der Suche nach einem wirklich robusten Sensor, der die von uns bevorzugte, weltweit standardisierte LoRaWAN-Technologie nutzt und gleichzeitig auch bei variierenden Umgebungsbedingungen zuverlässig Füllstandsdaten übermittelt; der auch mal dreckig und nass werden darf. Der WILSEN versprach hier eine tragfähige Lösung“, beschreibt Dachtler die Erwägungen bei der Sensorauswahl.

Existenzielle Bedrohung am Wupperufer

Doch auch abseits der Entsorgungswirtschaft ist es dem WILSEN gelungen, sich eine hochzufriedene Anwendergruppe zu erschließen – so zum Beispiel bei der Berger Gruppe in Wuppertal. Die Umstände, die hier zum Einsatz des Sensors führten, gestalteten sich bei den Spezialisten für CNC-Roboter-Schleif- und Poliertechnik jedoch deutlich dramatischer als in Freiburg: In der Nacht vom 14. auf den 15. Juli 2021 hatte sich die Wupper nach stundenlangen Starkregenfällen in einen reißenden Strom verwandelt und überflutete auch das unweit des Flussufers gelegene Firmengelände der Berger Gruppe. „Ich hatte riesige Angst, dass wir die Firma verlieren. Diese Ereignisse gehen mir bis heute nach“, erinnert sich Geschäftsführer Dr. Andreas Groß mit Schrecken an die Flutnacht zurück. „Von 8 000 m² Firmenfläche standen 7 000 m² unter Wasser. Das betraf auch 30 Roboter, die gerade auf Auslieferung zum Kunden warteten. Da uns aufgrund der problematischen Lage des Gebäudes eine Versicherung gegen Flutschäden immer verwehrt worden ist, mussten wir letztlich einen Schaden von fast einer Million Euro selbst abfedern“, skizziert Groß die Tragweite der Katastrophe.

Wille zur Eigeninitiative

Die zum Zeitpunkt der Überflutung gegebenen öffentlichen Überwachungs- und Schutzmaßnahmen sieht der promovierte Ingenieur rückblickend kritisch: „Einige wenige, nicht miteinander vernetzte Sensoren und ein lückenhaftes Netz von Sirenen können im Zeitalter von Digitalisierung und Klimawandel nicht der Anspruch an ein verlässliches Hochwasserwarnsystem sein“, konstatiert Groß. Und so reifte – noch während der kräftezehrenden Aufräumarbeiten – innerhalb der Berger Gruppe der Plan, ein technisches Konzept zu erarbeiten, um Menschen und Gebäude entlang der Wupper und ihren Zuflüssen künftig effektiver vor Hochwasserereignissen zu schützen: „Sich lediglich über das Schicksal zu beklagen, war für uns keine Option. Stattdessen überlegten wir, welche Impulse wir als Unternehmen mit technologischem Know-how für die Allgemeinheit liefern können.“

Tatsächlich kann die Berger Gruppe auf eine umfangreiche Expertise rund um die Themen Sensorik, Steuerungstechnik und adaptives Lernen zurückgreifen. Davon zeugen 950 Roboterautomationen, die das Unternehmen im Laufe der Jahre für seine Kunden realisiert hat. Dieses Wissen floss nun auch in die Entwicklung des initialen technischen Anforderungsprofils für ein Monitoring- und Analysesystem, mit dem Pegelstände und Regenmengen entlang der Wupper und ihren Bächen und anderen Zuläufen zuverlässig überwacht werden sollen.

Passgenau abgestimmte Sensorik

Einen zentralen Punkt in dem Konzept stellte natürlich die zu verwendende Sensorik dar: „Die Wahl einer geeigneten Sensorlösung war ein Teilthema, um das ich mich selbst gekümmert habe. Bei der Recherche bin ich auf den Ultraschallsensor WILSEN von Pepperl+Fuchs aufmerksam geworden, der bereits viele der von uns geforderten Kriterien abdeckte“, erläutert Groß. Einer der Aspekte, die ihn überzeugten, waren die einstellbaren Übertragungsintervalle: „Wir können jetzt softwareseitig das Sendeverhalten des Sensors mit den aktuellen Wetterdaten synchronisieren. Das bedeutet, dass der WILSEN im Falle gemeldeter Niederschläge häufiger Füllstände über das LoRa-Netzwerk an unseren Server sendet als bei Schönwetterlage. Dadurch lässt sich die Laufzeit der Hochleistungsbatterien noch weiter verlängern“, schildert Groß.

Dennoch hatten er und seine Mitstreiter noch einen speziellen Anpassungswunsch an Pepperl+Fuchs: „Der standardmäßige Erfassungsbereich des WILSEN ist zur Überwachung eines Entsorgungscontainers sicherlich völlig ausreichend. Da wir die Sensoren in unserem Anwendungsfall allerdings häufig an bzw. unter Brücken montieren und diese unterschiedliche Höhen haben, wollten wir keinerlei Risiken eingehen, dass die Distanz zwischen Brücke und Flussbett in Einzelfällen zu groß für den Sensor sein könnte. Wir haben das mit Pepperl+Fuchs diskutiert und tatsächlich ist man unserem Wunsch nachgekommen und hat die Reichweite des Sensors noch mal deutlich erhöht. Das hat uns beeindruckt und war für uns ein Zeichen, dass wir hier auf den richtigen Partner für die Ultraschallsensorik setzen.“

Sensordaten als Basis für adaptives Lernen

Seitdem hat das Projekt an der Wupper weiter an Fahrt aufgenommen: Neben der Berger Gruppe unterstützen auch die Stadtwerke Wuppertal, die Technischen Betriebe Solingen, die Bergische Gesellschaft sowie die Uni Wuppertal und das ihr angeschlossene IZMD (Interdisziplinäres Zentrum Machine Learning and Data Analytics) das ehrgeizige Vorhaben. Rund 60 WILSEN sowie zusätzliche Drucksensoren verrichten mittlerweile entlang der 116 Kilometer langen Gewässerstrecke ihren Dienst. „Mit Sensoren Pegelstände zu überwachen, ist an sich kein Neuland. Womit wir mit unserem Projekt aber weiter gehen als bisher: Wir nutzen die Messdaten, um das datenbasierte, adaptive Lernsystem des IZMD zu speisen und weiterzuentwickeln. In zwei bis drei Jahren werden wir damit in der Lage sein, mittels eines Algorithmus hochpräzise Vorhersagen zur Pegelentwicklung zu treffen. Die Kombination aus funkgestützter Sensorik und künstlicher Intelligenz, mit der wir hier arbeiten, passt dafür wie die Faust aufs Auge“, zeigt sich Groß optimistisch.

Zudem hoffen er und die weiteren Unterstützer darauf, dass ihre prototypische Entwicklung als Leuchtturmprojekt in das KI-Spitzencluster des Landes Nordrhein-Westfalen aufgenommen wird. „Das würde unserem Projekt natürlich noch mal großen Vorschub leisten. Perspektivisch möchten wir ein skalierbares und niedrigschwelliges Hochwasserwarnsystem nach Open-Source-Prinzip bereitstellen, von dem nicht nur die Anwohner der Wupper, sondern auch die breitere Öffentlichkeit profitieren“, skizziert Groß die langfristigen Ziele. Die Aufmerksamkeit ebendieser Öffentlichkeit habe das Projekt indes bereits längst auf sich gezogen. Dafür spreche die Tatsache, dass Groß kürzlich sogar eine interessierte Anfrage aus dem mit Überflutungen sehr vertrauten US-Bundesstaat Mississippi erreicht habe.

Übertragbares Prinzip

Währenddessen zeigt man sich auch bei Pepperl+Fuchs umtriebig in Bezug auf die Zukunft des WILSEN. So entdeckten nun immer mehr Industriekunden den WILSEN für sich, wie Daniel Möst von Pepperl+Fuchs schildert. „Aktuell implementieren wir den WILSEN beispielsweise bei einem großen süddeutschen Automobilhersteller. Hier verbirgt sich durch die Überwachung von IBC-Tanks oder Wertstoffbehältern auf dem Werksgelände ebenfalls ein beachtliches Optimierungspotenzial, das sich mit relativ geringem Aufwand heben lässt. Die funkbasierte Ultraschallsensorik hat sich mittlerweile als eine ideale Lösung für verschiedene Anwendungen im Kontext von Nachhaltigkeit und Smart City sowie der Industrie bewiesen.“

Darüber hinaus spinne das Unternehmen auf Basis all der gesammelten Projekterfahrungen den Grundgedanken kontinuierlich weiter: „Im nächsten Schritt werden wir auch andere sensorische Wirkprinzipien als nur Ultraschall mit Funkübertragung kombinieren. Unsere Kunden und Anwender dürfen sich schon jetzt auf eine weitere Variante des WILSEN freuen: Mit dem WILSEN.valve planen wir den Markteintritt mit einem batteriegestützten LoRa-Sensor zur Ventilstellungsüberwachung. Auch hier sehen wir einen großen Bedarf und sind davon überzeugt, zeitnah eine passgenaue Lösung bieten zu können“, verspricht Möst abschließend.