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(Quelle: Tally/Shutterstock.com)

Die Kultur des Zuhausebleibens, die während der Pandemie gefördert wurde, um die schlimmsten Auswirkungen von COVID-19 abzumildern, hat die Verkehrsbelastung verringert und die Luftqualität in den Städten verbessert. Ein Bericht des National Bureau of Economic Research hat errechnet, dass die Verringerung der Luftverschmutzung durch autofreie Städte in den USA zu einem Rückgang der mit der Luftqualität zusammenhängenden Krankheiten wie Asthma, Lungen- und Herzerkrankungen im ganzen Land um etwa 25 Prozent geführt hat.

Dennoch gibt es keinen Grund zur Selbstzufriedenheit. Mit der Öffnung der Städte in der post-pandemischen Welt kehren auch die Staus zurück. Der damit einhergehende Verkehr bläst kontinuierlich schädliche Emissionen in die Luft, darunter auch den tödlichen Feinstaub (Particulate Matter – PM) mit einem Durchmesser von 2,5 µm (und weniger). Diese „PM2,5“-Verschmutzung dringt tief in die Lunge ein und ist damit der gefährlichste Schadstoff für die Gesundheit.

Die ärmsten Bevölkerungsschichten leiden am meisten unter dem globalen Problem der schlechten Luftqualität. Die indische Stadt Mumbai beispielsweise leidet unter lähmenden Staus, in denen schlecht gewartete Fahrzeuge stehen, was oft eine katastrophale Luftqualität verursacht. Die indische Tageszeitung Times of India berichtete, dass die Stadt auf einer Liste von 859 Metropolen weltweit auf Platz 63 der am stärksten verschmutzten Städte und auf Platz vier der am stärksten verschmutzten „Megastädte“ rangiert. Dies ist ein Ballungsraum, in dem nach Angaben der Zeitung zwanzig Prozent der Bevölkerung unterhalb der Armutsgrenze leben, gemäß der Definition der Vereinten Nationen (UN) eine Person, die mit weniger als 1,90 US-Dollar pro Tag auskommen muss.

Das sich rasch entwickelnde Internet of Things (IoT) bietet sowohl für Industrie- als auch für Entwicklungsländer eine langfristige Lösung für schlechte Luftqualität. Der weit verbreitete Einsatz kommerzieller Luftqualitätssensoren, die über Low-Power-Wide-Area-Networks (LPWANs) wie LoRaWAN^® drahtlos mit dem IoT verbunden sind, verspricht, die erforderlichen räumlich hochaufgelösten Daten zu generieren, die Stadtplaner benötigen, um die Herausforderungen der Luftverschmutzung anzugehen.

Maßnahmen zum Schutz gefährdeter Menschen

Mumbai ist alles andere als einzigartig. Nach Angaben der Vereinten Nationen leben weltweit mehr als eine Milliarde Stadtbewohner in Slums, und sie leiden unverhältnismäßig stark unter den Auswirkungen schlechter Luftqualität. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ist die Luftverschmutzung hauptsächlich für nicht übertragbare Krankheiten verantwortlich und verursacht etwa 24 Prozent aller Todesfälle bei Erwachsenen durch Herzkrankheiten, 25 Prozent durch Schlaganfälle, 43 Prozent durch chronisch obstruktive Lungenerkrankungen und 29 Prozent durch Lungenkrebs.

Die Vereinten Nationen haben erkannt, dass wir dringend handeln müssen, um die Lebensqualität und Sicherheit dieser gefährdeten Gruppe zu verbessern. Im Jahr 2015 verabschiedeten die Mitglieder der Vereinten Nationen die Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung. Der Plan umfasst 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) und sieht vor, Städte sicher, resilient und nachhaltig zu machen. Ein Teil dieses Ziels besteht in einer Verpflichtung zur Verbesserung der Luftqualität.

Anbieter von IoT-Technologien unterstützen die Agenda der Vereinten Nationen bereitwillig. Dazu gehört die LoRa Alliance, eine offene, gemeinnützige Vereinigung, deren Mitglieder eng zusammenarbeiten, um das LoRaWAN-Protokoll zu fördern. Die Mitglieder der Allianz entwickeln verschiedene Initiativen zur Verringerung der Luftverschmutzung unter dem Motto „LoRaWAN for Good“.

Die Fähigkeit des IoT, schnell Daten von kompakten, kostengünstigen drahtlosen Sensoren – die über LoRaWAN mit der Cloud verbunden sind – zu generieren, zu sammeln und zu analysieren, ermöglicht es Stadtplanern, „Big Data“ zu nutzen, um die Luftreinhaltung zu verbessern. Die Systeme bestehen aus den folgenden Elementen:

• Drahtlose Luftqualitätssensoren zur Überwachung und Meldung von Schadstoffwerten in Echtzeit
• LoRaWAN-Konnektivität zur Übertragung von Daten aus drahtlosen Sensorennetzen mit geringer Reichweite in die Cloud
• Cloud-Server mit der Fähigkeit, den kontinuierlichen Datenstrom von Zehntausenden von drahtlosen Sensoren zu analysieren
• Prädiktive Algorithmen, die Maßnahmen vorschlagen, um zu verhindern, dass die Luftverschmutzung gefährliche Werte erreicht 

Drahtlose Luftqualitätssensoren können so „eingestellt“ werden, dass sie das in den Abgasen vorherrschende Stickstoffdioxid (NO₂) und Kohlenmonoxid (CO) erfassen und einen Gesamtüberblick über die von Fahrzeugen verursachte Luftverschmutzung geben. Da diese PM2,5- und Gassensoren kostengünstig und unauffällig sind, können sie zur Überwachung der Luftverschmutzung weiträumig in einer Stadt eingesetzt werden.

LoRaWAN-fähige Endgeräte werden in diese drahtlosen Luftqualitätssensornetzwerke eingebunden, die wiederum mit einem LoRaWAN-Netzwerk aus Gateways verbunden sind. Sie können Daten bis zu 5 km in städtischen Gebieten und bis zu 15 km über ländliche Sichtverbindungen übertragen, wobei Endgeräte mit einer Batterielebensdauer von zehn Jahren eingesetzt werden. Somit kann LoRaWAN ein Backbone für die schnelle und kostengünstige Einrichtung drahtloser Sensornetzwerke in jedem Stadtgebiet bilden.

Die Bedeutung einer zuverlässigen Infrastruktur

Um eine zuverlässige, langfristige Leistung zu gewährleisten, muss das LoRaWAN aus industrietauglichen Geräten erstellt werden. Daher sind die Gateways das entscheidende Glied in der Kommunikationskette, und glücklicherweise gibt es viele bewährte industrielle Optionen. Ein Beispiel ist das Advantech WISE-6610 Industrial LoRaWAN Gateway, das eine zuverlässige LoRaWAN-Konnektivität für industrielle Umgebungen gewährleistet. Die Advantech-Gateways unterstützen private und öffentliche LoRaWAN-Netzwerke und verfügen über MQTT, ein leichtgewichtiges Netzwerkprotokoll, das Teil der Internetprotokoll (I.P.)- Suite ist.

Die Hardware- und Software-Flexibilität der WISE-6610 Gateways unterstützt Edge-Computing-Systeme und umfasst redundante Funktionen zur Vermeidung von Verbindungsverlusten. Darüber hinaus wird ein hohes Maß an Sicherheit durch den Aufbau von VPN-Tunneln für eine sichere Kommunikation und einen Netzwerkserver gewährleistet, der LoRaWAN-Daten lokal verschlüsseln und konvertieren kann. Zu den weiteren Merkmalen gehören ein Frequenzbereich von 868 bis 915 MHz, ein Spannungseingangsbereich von 9 bis 36 V_DC, DIN-Schienen- oder Wandmontage und eine Gehäuseschutzart von IP30.

Die vom LoRaWAN-Gateway an die Cloud gesendeten Daten können aggregiert und analysiert werden, um ein nahezu in Echtzeit erstelltes, granulares Bild der Luftverschmutzung in einer Stadt zu erhalten. Mit zunehmender Weiterentwicklung der historischen Datenbank können Algorithmen auf vergangene Ereignisse zurückgreifen, um genau vorherzusagen, wie sich künftige Muster entwickeln werden – so können die Behörden bei Bedarf Präventivmaßnahmen ergreifen. Solche Informationen ermöglichen maßvolle und proaktive Maßnahmen wie die Regulierung des Verkehrsflusses, die vorübergehende Senkung der Mautgebühren für umweltfreundlichere Fahrzeuge und die rasche Benachrichtigung der Bürger über das Mobilfunknetz oder das Internet, um Gebiete zu meiden, in denen die Luftqualität bald gesundheitsgefährdend werden könnte.

Näher an den Zielen für nachhaltige Entwicklung

Solange die Städte an Diesel- und Benzinfahrzeugen festhalten, stellen PM2,5-Emissionen aus Auspuffrohren eine potenzielle Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. In den großen Ballungsräumen wird man sich des Produktivitätsverlustes und der erhöhten Belastung des Gesundheitssystems durch Atemwegserkrankungen bewusst und wendet sich nun dem IoT und LoRaWAN zu, um die Schwächen der herkömmlichen Überwachungssysteme zu beseitigen. Drahtlose Sensornetzwerke, die kontinuierlich und nahezu in Echtzeit genaue Daten liefern, ermöglichen es den Planern, fundierte Entscheidungen zu treffen, z. B. die Verkehrsströme zu reduzieren, um die Umweltverschmutzung an Tagen mit besonders ungünstigen Bedingungen zu verringern.

Mit der Einführung der nächsten Generation drahtloser Sensornetzwerke, die durch eine stadtweite LoRaWAN-Infrastruktur unterstützt werden, rückt das elfte Ziel der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung, die Städte sicher, resilient und nachhaltig zu machen, in greifbare Nähe. Darüber hinaus ist es ein perfektes Beispiel dafür, wie die LoRa-Technologie für einen guten Zweck genutzt werden kann.

Wichtigste Erkenntnisse

• Feinstaub aus Autoabgasen schädigt die Gesundheit aller Stadtbewohner, wobei die armen Bevölkerungsschichten am stärksten betroffen sind.
• Die bestehenden Maßnahmen zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung sind rudimentär und bringen nur begrenzte Ergebnisse.
• Drahtlose Sensoren zur Messung der Luftqualität, die von der LoRaWAN-Infrastruktur unterstützt werden, liefern die schnellen, granularen Daten, die benötigt werden, um sowohl langfristige als auch vorübergehende Episoden hoher Partikelverschmutzung zu bekämpfen.
• LoRaWAN trägt dazu bei, das elfte Ziel der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung zu erreichen, indem es Städte sicher, resilient und nachhaltig macht.