LoRa-Netzwerk: Wie Wireless-Technologie die Wasserversorgung im Wildreservat Kololo sichert

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LoRa-Netzwerk: Wie Wireless-Technologie die Wasserversorgung im Wildreservat Kololo sichert

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Kabel zu verlegen, war auf dem weitläufigen Gelände schwierig und auch Mobilfunk ist nicht ausreichend verfügbar. Wie IoT-Technik die Wasser­versorgung eines Südafrikanischen Resorts absichert.
Lora-Netzwerk

Quelle: Keller Meettechniek

LoRa-Netzwerk in Südafrika? Elefant, Nashorn, Leopard, Büffel und Löwe: Wer die „Big Five“ einmal in ihrer natürlichen Umgebung sehen und dabei nicht auf Komfort verzichten möchte, ist im Kololo-Wildreservat gut aufgehoben. Der Begriff „Big Five“ stammt noch aus Zeiten, als die Jagd auf wertvolle Tiere einen anderen Stellenwert einnahm. Die Jagd nach diesen fünf Tierarten war mit den größten Gefahren verbunden.

Das Leben im Reservat

Im Kololo-Reservat muss man sich jedoch wenig Gedanken um die eigene Sicherheit machen: Denn die Big Five werden hier nicht auf dem Gebiet selbst gehalten. Kurz gesagt ist Kololo ein familienfreundliches Wildreservat mit eigenem Zugang zu den Big Five, mit mehreren Unterkünften, einem gehobenen Restaurant und Swimmingpool. Ländlich in der Nähe von Vaalwater, Limpopo (Südafrika) gelegen, verfügt es über eine autarke Wasser- und Stromversorgung. Zwar ist Kololo an das Stromnetz angeschlossen – da Ausfälle jedoch vorkommen können, verfügt das Reservat zudem über einen Diesel-Generator, um diese auszugleichen.

Das Wassersystem des Kololo-Reservats

Das dreistufige Wassersystem besteht aus einem Brunnen, acht Sammeltanks und ­einem Verteilsystem mit Rohren und Schläuchen, um das Wasser zu den Lodges, zum Restaurant und zum Pool zu leiten. Die Hauptwasserquelle ist ein 100 Meter tiefer Brunnen, dessen Wasser nur durch ein Bohrloch erreicht werden kann. Da der Wasserbestand nicht unendlich ist, muss er mittels einer Pegelmessung im Brunnen eingeschätzt werden.

Aus dem Brunnen wird das Wasser über einen Kilometer in acht 5.000-Liter-Tanks gepumpt. Diese Tanks sind nach ihrem Hersteller Jojo benannt. Die „Jojos“ befinden sich weit oben auf einem Hügel und dienen als Speicher. Von hier aus verteilt sich das Wasser mittels Schwerkraft über eine Rohrleitung vom Hügel hinab an die Lodges und den Pool.

Ein LoRa-Netzwerk für die Pegelmessung

Um einen Einblick in den aktuellen Wasserbestand zu erhalten, muss sowohl der Pegel im Brunnen als auch in den Jojos gemessen werden. Zu diesem Zweck hat der Sensorikhersteller und Messtechnik-Spezialist Keller im Februar 2020 ein komplettes System zur Pegelmessung in einem der Jojos verbaut. Die Daten werden über ein drahtloses LoRa-Netzwerk ausgelesen. Da alle acht Jojos untereinander verbunden sind, ist der gemessene Pegel auch für alle Jojos repräsentativ.

Für solche Einsatzbereiche hat Keller viele analoge und digitale Pegelsonden im Portfolio. Zusätzlich zur Messung der Standardparameter, wie Temperatur und Pegel, können digitale Pegelsonden optional die Leitfähigkeit ermitteln. Da die Daten in einer Datenbank auf der Kolibri-Cloud von Keller gespeichert werden, kann außerdem die Datenhistorie eingesehen werden, die Rückschlüsse über den Verbrauch, mögliche Lecks und vieles mehr zulässt.

Den Wasserpegel mit Drucksensor messen

Haben Ihnen beim Tauchen schon mal die Ohren weh getan? Dieses Gefühl entsteht durch das Gewicht der Wassersäule über Ihnen. Gewicht ist eine Kraft, die mit der Formel F = m * g berechnet wird, wobei m = Masse und g = Schwerkraft ist. Druck ist Kraft geteilt durch Fläche, weshalb eine Flüssigkeitssäule mit einem Drucksensor gemessen werden kann.

Wenn die Dichte der Flüssigkeit bekannt ist, kann man den Druck in eine Länge (Höhe der Flüssigkeitssäule) umrechnen. Wenn wir die Länge, die Fläche und die Dichte der Flüssigkeit kennen, können wir die Messdaten in ein ­Litervolumen umrechnen.

Drahtlose Übertragung mittels LoRa-Netzwerk

Kololo ist nicht das größte Wildreservat, verfügt jedoch trotzdem über eine Fläche von 3000 Hektaren (4500 Fußballfelder) und ist somit zu groß für verdrahtete Sensoren. Das Projekt verlangte nach einer drahtlosen Übertragung, allerdings ist die Mobilfunkabdeckung im Reservat aufgrund der ländlichen Lage minimal. Mit 4G- und NB-IoT sind bereitgestellte Netzwerke nicht verfügbar. Trotzdem hat Kololo einen Internetzugang.

Ein Mikronetzwerk als Lösung: Es gibt verschiedene drahtlose IoT-Systeme wie etwa LoRaWAN und Sigfox. Die bekanntesten LoRaWAN-Systeme sind Loriot und The Things Network (TTN). TTN hat den Vorteil, dass man mit einem ans ­Internet angeschlossenen TTN-kompatiblen Gateway ganz einfach eine lokale Internet-Abdeckung über LoRaWAN schaffen kann.

LoRa-Netzwerk: Die drei Grundelemente

Ein typisches lokales LoRa-Netzwerk beinhaltet drei Grundelemente:

  1. Einen digitalen Sensor oder ein digitales Messgerät
  2. Einen LoRa-Transmitter zur Übertragung der Messwerte
  3. Ein LoRa-Gateway-Empfänger, der über Ethernet oder Wlan mit dem Internet verbunden ist, und der die Messdaten in eine Cloud weiterleiten kann

In Kololo dient ein Sentrius-Gateway von Laird als LoRa-Gateway. Die LoRa-Fernübertragung wird mit einer LoRa-Box von Keller bewerkstelligt. An die Box ist eine digitale Pegelsonde angeschlossen, die den Druck (entspricht Wasserpegel) und die Temperatur misst.

Die LoRa-Box ruft den Pegel von der Pegelsonde ab und überträgt die Daten zusammen mit dem Luftdruck und der Lufttemperatur an das LoRa-Gateway. Schließlich leitet das LoRa-Gateway alle Daten über das Internet an die Kolibri-Cloud, in der die Daten gespeichert werden. Dort lassen sie sich mittels Web-App einsehen. Dabei bietet die Web-App mehr, als nur die Dateneinsicht: Daten können zum Beispiel exportiert und ausgedruckt und in andere Einheiten umgerechnet werden oder sie dienen der Berechnungen von Tankinhalten.

LoRa-Netzwerk
Die Weboberfläche der Kolibri-Cloud von Keller zeigt die aktuellen Werte und die Historie. Bereits am ersten Tag hat das System ein Leck offenbart. Bild: Keller Meettechniek

System deckt Fehler auf

Nach der Installation und dem Set-up wurde das System mit einem stündlichen Messintervall gestartet. Am nächsten Tag zeigten die ersten Messungen eine ungewöhnlich abfallende Kurve. Ein Vergleich zweier nächtlicher Messungen zeigte einen Unterschied von annähernd 100 Liter pro Stunde.

Die einzige mögliche Ursache dafür konnte ein Leck sein. Die betroffene Stelle wurde am Boden eines der Jojo-Tanks gefunden: Ein Rohrgewinde war teilweise aus einem Tankanschluss gerutscht. Damit hatte sich das System bereits nach einem Tag bewährt. Das System könnte mit einer digitalen Pegelsonde für das Bohrloch erweitert werden, um auch den Grundbestand an Wasser zu überwachen.

Das Elektrizitätssystem des Kololo-Reservats

Einen Diesel-Generator in einem Reservat zu betreiben hat seine Tücken: Manchmal werden die Diesel-Tanks nicht gründlich gereinigt, wodurch beim Auffüllen Wasser hinein gelangt. Auch kann es vorkommen, dass Diesel gestohlen wird. Oft versuchen die Diebe dies zu kaschieren, indem sie die Tanks zum Ausgleich mit Wasser füllen. Für einen Diesel-Generator wäre das eine Katastrophe, da Wasser im Motor erhebliche Schäden und damit hohe Reparaturkosten verursacht.

Da das LoRa-System höchstens in Abständen von 15 Minuten Messungen durchführen kann, reicht eine reine Pegelsonde nicht, um einen veränderten Dieselpegel zu entdecken, falls der Pegel innerhalb von 15 Minuten mit Wasser wieder auf das vorherige Niveau erhöht wird.

Hier kann jedoch die Leitfähigkeit die Veränderung des Gemischs offenbaren, denn Wasser und Diesel haben unterschiedliche Leitfähigkeiten. Eine digitale Sonde ist dazu in der Lage dies festzustellen und weist also darauf hin, wenn sich Wasser im Dieseltank befindet.

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network und ist ein energiesparendes Netzwerk-Kom-munikationsprotokoll für drahtlose Anwendungen wie IoT (Internet of Things). Mit Datenraten von maximal 50 kbit/s ist die Technologie für vergleichsweise simple Daten wie Sensor-Messwerte ausgelegt (im Gegensatz etwa zu einem HD-Video-Stream). Dafür hat die Technologie eine Reichweite von einigen Kilometern und durchdringt selbst Gebäude.

Fazit

Das dargestellte IoT-System eignet sich für Pegel- und Leitfähigkeitsmessungen von Flüssigkeiten nicht nur in Wildreservaten: Anwendungen gibt es in der Petrochemie, der Landwirtschaft und weiteren Bereichen der Industrie.

Der Autor Martijn Smit ist Commercial Director bei ­Keller Meettechniek B.V. (Niederlande).

Lesen Sie auch: Cloud-Strategien für Unternehmen in Krisenzeiten

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