Fachbereich VIII Maschinenbau, Veranstaltungstechnik, Verfahrenstechnik
Exposé zur Masterarbeit
Untersuchung von energieeffizienten Funknetzwerken mit hoher Reichweite zur Konzeption eines Systems für die Outdoor-Veranstaltungsproduktion
von Florian Becht (cand. MEng M-VTM)
Studiengang Veranstaltungstechnik und -management Betreuer Prof. Dr. rer. nat. Alexander Lindau Gutachter Prof. Dipl.-Ing. Stephan Rolfes Ausgabe am 01. Oktober 2020
Abgabe am 01. März 2021
Florian Becht Matrikel-Nr. 896942 s79617@beuth-hochschule.de
1 Idee und Ausgangslage
Inhalt
1. Idee und Ausgangslage ... 2
2. Zielsetzung und Methodik ... 3
3. Aufbau der Arbeit ... 4
4. Literatur- und Quellen ... 5
1. Idee und Ausgangslage
Die Idee ist es, durch den Einsatz von dezentralen Sensoren gesicherte Informationen über den Zustand einer Veranstaltung und deren Umgebung zu erlangen. Denkbar scheint eine datengestützte Überwachung unter anderem von externen Einflussfaktoren (wie beispielsweise Wetter), von technischen Anlagen (wie beispielsweise von Generatoren) sowie von Effekten, die durch die Veranstaltung entstehen (wie beispielsweise Schallemissionen), aber auch über die Position von ausgewählten Schlüsselpersonen und -ressourcen (wie beispielsweise Sanitäts- und Einsatzkräfte, Hubarbeitsbühnen und Gabelstapler). Auch die Überwachung von Türkontakten und Personenströmen ist mit geeigneten Sensoren denkbar.
Im Gegensatz zu dem Einsatz von Endgeräten mit Sensoren im „Internet of Things“
entstehen durch den Projektcharakter von Veranstaltungen besondere Herausforderungen. Durch die Einmaligkeit lässt sich ein Standard-Netzwerk nur bedingt konzeptionieren, der Einsatz von bestimmten Sensoren muss jedes Mal aufs Neue auf die Projektrealität angepasst werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die erforderliche Anpassung im Verhältnis zur geplanten Einsatzzeit und zum vorhandenen Budget steht.
Der Aufwand, ein solches System bei der Umsetzung von Veranstaltungen einzusetzen, muss durch den erwarteten Nutzen gerechtfertigt sein. Unter diesem Aspekt scheint es besonders relevant, dass sowohl der Arbeitsaufwand aber auch der finanzielle Aufwand möglichst gering ist.
Die zwei besonderen Eigenschaften der sogenannten „Low Power Wide Area Networks“ (LPWAN, deutsch etwa energieeffiziente Netzwerke mit hoher
2 Zielsetzung und Methodik
Reichweite) Funknetzwerke sind essentielle Voraussetzungen für diese Überlegungen: Die hohe Reichweite von theoretisch mehreren Kilometern sowie die hohe Energieeffizienz ermöglichen den Einsatz von dezentralen Endgeräten, ohne Daten- oder Stromleitungen, die an den Einsatzorten benötigt werden. Ein einfaches Anbringen der Endgeräte vor Ort ist ausreichend. So ist beispielsweise der Einsatz von Sensoren an Türen und Toren in der Umzäunung des gesamten Geländes denkbar, auch an weit entfernten Positionen.
Nachteil dieser Funknetzwerke sind, die verglichen mit anderen Funknetzwerken (wie beispielsweise Mobilfunk, WLAN oder Bluetooth), deutlich geringeren Datenraten (beispielsweise bei LoRaWAN 292 Bit/s – 50 kBit/s). Dieser limitierende Faktor bestimmt auch, welche Sensoren und Einsatzzwecke für Endgeräte in Frage kommen.
Eine kontinuierliche Bildübertragung scheint nicht möglich.
2. Zielsetzung und Methodik
Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, ob und wie ein Einsatz von sogenannten energieeffizienten Funknetzwerken mit hoher Reichweite (LPWAN, Low Power Wide Area Networks) bei der Produktion von Outdoor-Veranstaltungen sinnvoll ist.
Ausgehend von dem derzeitigen fachlichen Diskurs und einer Literaturrecherche soll zunächst der Schwerpunkt auf der theoretischen Erarbeitung der Technologie liegen.
Über eine Beschäftigung mit der Funktechnologie können deren Stärken und Schwächen erarbeitet werden, um daraus die Parameter für einen möglichen Einsatz abzuleiten. Derzeit haben sich verschiedene solcher LPWAN-Technologien auf dem Markt mehr oder weniger etabliert. Ein qualitativer Vergleich dieser Netzwerke ist erforderlich, um herauszufinden, welches der verschiedenen Funktechnologien besonders für die Anwendung auf Veranstaltungen geeignet ist.
Weiterhin soll innerhalb der Arbeit ein geeignetes System für den Einsatz bei Veranstaltungen konzipiert werden. Mit den Ergebnissen der vorangegangenen Analyse werden die benötigten Hardwarekomponenten für die Basisstation („Gateway“) und für die Endgeräte („Nodes“) identifiziert und nach Möglichkeit ausgewählt. Weiterhin wird analysiert, welche Softwarekomponenten zur Verarbeitung und Darstellung der Informationen benötigt werden. Dabei soll geprüft
3 Aufbau der Arbeit
werden, ob bestehende Software für den Anwendungsfall nutzbar ist. Im Rahmen der Konzeption werden mögliche Sensoren an Endgeräten qualitativ betrachtet. Im Sinne der möglichen und erforderlichen Anpassbarkeit sollen Schnittstellen und Merkmale definiert werden für mögliche Sensoren an den Endgeräten. Auch muss geprüft werden, ob und wie ein Einsatz unter den besonderen Herausforderungen bei Veranstaltungen erfolgen kann. Kriterien hierfür sind beispielsweise ein ausreichender Schutz gegen Beschädigungen und Diebstahl.
Weiterhin werden Rahmenbedingungen und Kriterien definiert, unter denen ein Einsatz nicht nur technisch möglich, sondern auch sinnvoll ist. Kriterien sind etwa die Flexibilität, Kosten für die Anschaffung und das Betreiben aber auch Ausfallsicherheit, Störanfälligkeit und Datensicherheit.
Im Rahmen von Testaufbauten soll das theoretisch erarbeitete Konzept nach Möglichkeit erprobt werden, um Chancen, Grenzen und Schwächen praktisch zu ermitteln. Mögliche Tests sind dabei stark abhängig von den gefundenen Ergebnissen der theoretischen Auseinandersetzung. Denkbar ist beispielsweise der Aufbau eines Prototypen-Systems bestehend aus einer Basisstation und mindestens einem Endgerät mit auswechselbaren Sensoren.
3. Aufbau der Arbeit
Die Arbeit beginnt mit der Darstellung der Ausgangssituation und den grundsätzlichen Überlegungen.
Im Grundlagenkapitel werden zunächst relevante Begriffe definiert. Weiterhin werden dort die Vor- und Nachteile von funkbasierten Übertragungssystemen erläutert, LPWAN Netze werden miteinander verglichen und im Vergleich mit anderen Funkübertragungstechnologien eingeordnet.
Bevor im weiteren Verlauf der Arbeit sinnvolle Endgeräte definiert und charakterisiert werden, erfolgt eine genaue Vorstellung des gewählten Funknetzwerkes. Die detaillierte Beschäftigung sowohl mit der Hardwareschicht, aber auch mit dem Protokoll ist die Grundlage, um die Technologie bestmöglich unter Berücksichtigung der vorhandenen Einschränkungen einzusetzen.
4 Literatur- und Quellen
Im nachfolgenden Kapitel werden potenzielle Endgeräte näher beschrieben. Es soll untersucht werden, welche Daten/Informationen übertragen werden, welche Einsatzmöglichkeiten bezogen auf die Outdoor-Veranstaltungsproduktion denkbar sind und welche Anforderungen an die Sensoren und Endgeräte gestellt werden müssen, um einen ausreichend hohen Nutzen aus den Informationen zu erhalten.
Insbesondere muss erörtert werden, welcher Genauigkeitsgrad bei den erhobenen und übertragenen Sensoren sinnvoll ist. Auch diese Frage bewegt sich im Spannungsfeld zwischen Qualität und Kosten. Neben dem Einsatz der Endgeräte als Sensoren wird weiterhin über den Einsatz in der Ansteuerung nachgedacht, also über die Nutzung der bidirektionalen Übertragung.
Nachdem die möglichen Endgeräte sehr detailliert betrachtet wurden, folgt die Konzeption der weiteren benötigten Komponenten. Dazu zählt insbesondere der Aufbau der Basisstation (sogenanntes Gateway) sowie die benötigte Hard- und Software zur Verarbeitung und Darstellung der gesammelten Informationen.
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