Wie kann ich mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand erfassen?

Bisher war es teuer und aufwändig, aktuelle Pegelstände zu erfassen. Mit LoRaWAN können Pegelstände an Gewässern einfach und über weite Strecken ermittelt werden. Durch bessere Datenlage können bessere Prognosen und Entscheidungen getroffen werden. Hier lesen Sie, wie Sie mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand erfassen. Und Sie erfahren zugleich mehr von meiner Vision zu digitalen Städten und Dörfern.

Im Oktober 2019 installierte ich das erste LoRaWAN gateway im Landkreis Fürth / Bayern. Ich war begeistert, über welche Entfernung nun preiswert Messwerte ermittelt und übertragen werden konnten. Voraussetzung ist eine fachkundige Installation der gateway-Anlage. Diese gateways sind preiswert verfügbar. Durch eine Außenantenne werden relativ hohe Reichweiten möglich. Mit winzigen 25mW (Milliwatt) können mehrere Kilometer überbrückt werden, je nach Lage und Topographie. Ein Jahr später folge die Covid-Krise. Aber innovative digitale Ideen fanden auf kommunaler Ebene in den Jahren 2020 und 2021 kein Gehör. Als Medizintechniker war ich irritiert über die Art und Weise zur Erfassung und Verbreitung der digitalen Kennzahl „Covid-Inzidenz“. Aber das ist ein ganz anderes Kapitel (link podcast Covid-Inzidenz). Somit befasste ich mich weiter mit dem spannenden Internet der Dinge und LoRaWAN.

Die Flutkatastrophe im Ahrtal

Als im Juli 2021 mangels Datenlage und Warnung 135 Menschen im Ahrtal den Tod fanden, war ich fassungslos. Im Rahmen von Aufbauhilfe zusammen mit dem Helfer-Shuttle Eltmann (link) lernte ich das Ahrtal kennen und lieben. In mir entstand die Idee, durch bessere Datenlage und mehr Messwerte eine bessere Grundlage für Entscheider zu schaffen. Mein Gedanke war: Mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand zu erfassen. Im Ahrtal gab es lediglich drei Messstellen für den Flusspegel. Doch alle Messstellen wurden von der Flut weggerissen.

Die Ahr ist knapp 80km lang. Und die Flutwelle hat sich über viele Stunden von Blankenheim über Müsch bis Sinzig aufgebaut. Mit dem Blick auf die Flutkatastrophen im Jahr 1804 und 1910 war eine Wiederholung einer Katastrophe für die Verantwortlichen absehbar. In der Flutnacht hat sich zum Beispiel in Altenahr der Flusspegel mehr als verzehnfacht. Mit mehr Messstellen und aktiven Meldungen an die Einwohner wäre der Sachschaden zwar weitgehend gleich geblieben. Doch viel menschliches Leid wäre vermeidbar gewesen.

Die Vorteile von LoRaWAN

Bei LoRaWAN handelt es sich um ein Funknetz im lizenzfreien Bereich 868MHz. Somit entstehen keine Kosten für Mobilfunk. Mit einem LoRaWAN-gateway können durch eine Außenantenne hoch Reichweiten von mehreren Kilometern erreicht werden. Die Sendeleistung beträgt winzige 25mW. Und die Datenübertragung findet im Abstand mehrerer Minuten statt. Dadurch ist die Übertragung sehr schonend für Umwelt und Stromverbrauch. Die Sensoren für LoRaWAN kann man fertig aufgebaut kaufen. Oder selbst bauen. Interessant ist die Lebensdauer der Batterien. Viele Sensoren für LoRaWAN halten über Jahre mit nur einer Batterieladung durch. Aus den Messwerten werden Datenpakete generiert. Und diese Datenpakete werden von den gateways in das Internet auf eine zentrale Plattform weitergeleitet. Diese Plattform nennt sich TTN (thethingsnetwork – link). Von dort aus können die Daten gezielt herausgefischt, entschlüsselt und weiterverarbeitet werden. Damit wird klar: Es handelt sich um ein offenes und zugleich sicheres Netz. Womit preiswerte und vielfältige Lösungen geschaffen werden können.

Mit LoRaWAN mehr Messpunkte für Pegelstände möglich.

Das Netz an Messstellen im Ahrtal ist noch immer sehr dünn. Und die Bürger müssen die Messwerte auf der homepage aktiv nachlesen (link). Wäre es nicht einfacher, die Messwerte an mehreren Stellen zu erfassen? Und Schnittstellen zu schaffen, um bei Pegeländerung die Bewohner zu informieren? Denn genau hier lag die Problematik im Ahrtal. Durch LoRaWAN können Pegelstände preiswert gemessen werden. Dazu braucht es eine Messeinheit. Diese Messeinheit besteht entweder aus einem Ultraschallsensor oder einen LiDAR-Sensor. Und immer wieder sehe ich den wundervollen Ort Marienthal an der Ahr vor mir. Dieser Ort hat trotz seiner Zerstörung eine Magie und Schönheit, die nur vor Ort erlebbar ist. Meine Vision ist, dort eine Pegelmessstelle mit LoRaWAN zu errichten. Daher begann ich über viele Monate, im Ahrtal-fernen Landkreis Fürth mit Messtechnik für Pegelstände und LoRaWAN zu experimentieren.

Live-Daten: Mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand erfassen

Hier sehen Sie live-Daten. Diese wurden über einem Gewässer ermittelt. Und mit LoRaWAN versendet.

Licht oder Schall für Pegelerfassung?

Ich experimentierte lange mit Ultraschallsensoren. Und die Ergebnisse waren ausreichend genau. Allerdings nur so lange die Experimente in der Werkstatt stattfanden. Denn in freier Natur an einem Revisionsschacht des örtlichen Regenrückhaltebeckens scheiterte diese Technik. Die Echos durch den Betonschacht waren weit größer als das reflektierte Nutzsignal. Auch Störungen durch Wind machten die Erfassung der Messwerte zunichte. Somit suchte ich nach Alternativen. Und stieß hier auf die LiDAR-Technik. Dabei wird statt Schall ein Lichstrahl ausgesendet. Die Messungen sind genauer und Störungen durch Echos oder Wind sind erheblich geringer. Jedoch ist für die Messung ein reflektierendes Ziel auf der Wasseroberfläche notwendig. Der komplette Messaufbau musste nochmal revidiert werden.

Aufbau: Mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand erfassen

Nach vielen Monaten fand ich eine passende Idee im ELV-journal, Ausgabe März 2023: Die Messstelle für Gewässerpegel besteht darin aus einem HT-Rohr. Dieses HT-Rohr wird im Gewässerboden fixiert. In das HT-Rohr wird ein passender Tennisball eingeführt. Dieser Tennisball dient als Ziel (Target) für den Lichtstrahl aus dem LiDAR-Sensor. Die Laufzeit des Signals wird vom Sensor gemessen und an den Minicomputer weitergeleitet. Von dort wird das Datenpaket auf der Frequenz 868MHz an ein LoRaWAN-gateway geschickt. Dieses gateway wiederum sendet das Paket in das Internet. Die Datenpakete werden nun gezielt herausgefischt und fortlaufend in einer Datenbank gespeichert. Bei steigendem Gewässerpegel erfolgt eine Meldung per eMail oder Messenger. Der reine Materialpreis pro Messpunkt beträgt weit weniger als 100 Euro. Dabei ist auf eine solide Gründung des Rohres zu achten. Um eine Störung durch Unterspülung oder fortspülen der Messstelle zu vermeiden.

Wir werden lernen, mit Krisen zu leben. Sowohl vielfältigere Messwerte als auch die bessere Meldung an die Nutzer werden dazu beitragen. Durch Starkregen können sich kleine Bäche oder Täler in kurzer Zeit zu einem Problem entwickeln. Eine gute Datenlage ist zur Abschätzung wichtig. Entscheidend ist die Zuverlässigkeit ist die Qualität des mechanischen Aufbaus. Und die fachgerechte Installation des gateways mit Außenantenne um eine hohe Reichweite zu erhalten.

Fazit: Mit LoRaWAN den aktuellen Pegelstand erfassen ist einfach

Eine Messstelle für Wasserpegel ist mit LoRaWAN und LiDAR einfach und preiswert realisierbar. Und zugleich können durch ein lolakes LoRaWAN-gateway noch viele weitere, bisher undenkbare Messwerte erfasst werden. Denken wir an Bodenfeuchte oder die Temperatur in Bienenstöcken. Zwar sehe ich heute (Mai 2023) noch immer kein einziges LoRaWAN-gateway im TTN-Mapper im Ahrtal. Und die oben genannte Messstelle ist bisher nur ein privates Elektronik-Experiment im weit entfernten Landkreis Fürth / Bayern. Doch ich halte weiter an meiner Idee fest: Die Pegelmessung von Gewässern mit LoRaWAN ist ein guter Einstieg, um in Dörfern und Städten mit bürgernaher Digitalisierung zu beginnen.

LoRaWAN: Versickerung von Regenwasser messen