Kiezbox 2.0: Kommunikation im Krisenfall – Was gibt es Neues?
Was passiert bei einem Stromausfall in Berlin? Wie kann ohne Strom der Notruf verständigt werden? Und wie können Rettungskräfte und Bürger:innen kommunizieren? Das Projekt Kiezbox 2.0 arbeitet an einer möglichen Antwort auf diese Fragen. Als Beitrag zur Resilienz der Smart City von morgen entwickeln wir Prototypen für ein stromautarkes Mesh-Netzwerk, das im Krisenfall die Kommunikation mit Betreiber:innen der kritischen Infrastruktur, wie zum Beispiel der Feuerwehr, Polizei oder Rettungsdienst, ermöglicht.
Gerade befindet sich die Kiezbox in der Entwicklungs- und Erprobungsphase. In einer fünfwöchigen Highlight-Phase hat das Team Digital Services in einem iterativen Prozess intensiv an dem Projekt gearbeitet. Vom Aufbau eines Mesh-Netzwerks, über einen Reichweiten-Test des Netzwerks auf dem Tempelhofer Feld, Löten und Bauen der Kiezbox-Hardware und der Suche nach Teststandorten für die Kiezbox – davon berichtet unser Team Digital Services in diesem Werkstattbericht. Mit technischen Einblicken in die Prototyp-Entwicklung und Stimmen aus unserem Entwickler:innen-Team.
Aufbau eines stabilen, sicheren Mesh-Netzwerks für die resiliente Stadt
Damit im Krisenfall die Kommunikation zwischen Bürger:innen und Rettungskräften ermöglicht werden kann, bauen die Kiezboxen ein eigenes Kommunikationsnetzwerk auf, genauer gesagt ein abgesichertes WLAN-Mesh-Netzwerk.
In einem Mesh-Netzwerk sind alle Netzwerkknoten direkt miteinander verbunden, anstatt über einen zentralen Router zu gehen. Dadurch entsteht ein flexibles und robustes Netzwerk, das Ausfälle besser verkraftet und Daten effizienter übertragen kann. Ein abgesichertes WLAN-Mesh-Netzwerk nutzt diese Mesh-Technologie für drahtlose Verbindungen und integriert zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, um die Übertragung von Daten zu schützen.
Im Laufe der Highlight-Phase hat unser Team für die Kiezboxen ein abgesichertes WLAN Mesh-Netzwerk aufgebaut, das auf der Basis von IEEE 802.11s, einem Standard für drahtlose Netzwerkkommunikation, und B.A.T.M.A.N., einem Routingprotokoll, das die Erreichbarkeit der Knoten im Netzwerk überwacht, funktioniert. Für das Routing soll das Babel-Protokoll zum Einsatz kommen, welches aktuell noch evaluiert wird.
Erste Netzwerktest in der Technologiestiftung waren erfolgreich und haben gezeigt, dass das Testnetzwerk über eine längere Zeit sehr stabil läuft.
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Dank Fahrrad und Laptop lässt sich die Reichweite der Antennen kontrollieren: Dafür wurde das Lastenrad des CityLAB zu einer mobilen Sende- und Empfängerstation umgebaut. -
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Die Reichweite des Netzwerks testen auf dem Tempelhofer Feld.
Im nächsten Schritt wurde die Reichweite des aufgebauten Netzwerks von unserem Team in einem Feldversuch getestet – Frontend Developer Urs Schmidt berichtet:
"Um herauszufinden, welche Antennen für die Kiezbox die richtigen sind und wie engmaschig das Kiezbox-Netz sein muss, wollten wir einen Reichweitentest durchführen. Welcher Ort würde sich da besser eignen als das Tempelhofer Feld. Wir hatten eine Rundstrahl- und eine Richtstrahlantenne dabei, um zu überprüfen, wie weit unsere WiFi-Verbindung im Krisenfall reichen kann. Mit dabei waren zwei BananaPi-Router, die unser Mesh simuliert haben. Eine Station war an einem fixen Standort. Für die mobile Station haben wir kurzerhand das flotte Bike aus dem CityLAB zu einer Sende-/Empfänger-Station upgegraded. Nun konnten wir, getrackt durch GPS die Distanz zwischen den Stationen vergrößern und dabei regelmäßig kleine Datenpakete hin- und herschicken. Dank GPS-Tracking konnten wir die Zeit sowie die Verlustrate bei größer werdender Entfernung bestimmen.
Das Wetter war gut und alle auftauchenden Probleme konnten wir kurzfristig lösen. Es lebe Multitool und Kabelbinder. Irgendwann war die Distanz zwischen uns so groß, dass wir uns nicht mehr sehen konnten. Nächstes Mal mit Fernglas und Laserpointer.
Die Rundstrahlantenne war bereits nach wenigen hundert Metern am Ende ihrer Fähigkeiten. Sie scheidet dadurch für die meisten Anforderungen aus. Eventuell kann sie in Einzelfällen, zum Beispiel bei der Kommunikation mit der Bevölkerung noch zum Einsatz kommen. Die Richtstrahlantenne hat hingegen alle Ansprüche zu unserer vollsten Zufriedenheit erfüllt. Ein Paar davon ist in der Lage über einen Kilometer Entfernung mit wenig Verlust miteinander zu kommunizieren. Das entspricht der maximalen Ausdehnung unseres Pilotgebietes."
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Das Bild zeigt die auf der Rückwand der Kiezbox montierten Bauteile. -
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Die Kiezboxen werden von unserem Team in Handarbeit zusammengebaut.
Hardware-Bau –Serienproduktion der Kiezbox
Nach dem Aufbau des Mesh-Netzwerks ging es an den Bau der ersten Kiezboxen. Die Kiezbox besteht aus einem Schaltschrank, in dem die einzelnen Komponenten verbaut sind. Dazu gehören:
- Sensoren, die Feuchtigkeit und Temperatur innerhalb und außerhalb der Kiezbox messen
- Sensorboard und Steuerungseinheit
- LoRaBee, das die Kommunikation über LoRa ermöglicht
- BananaPi, der das WLAN-Meshnetzwerk im Kriesenfall aufbaut
- Charge-Controller, der das Aufladen der Batterie über das Solarpanel regelt
- Buck Converter und Spannungsregler, die für eine stabile Spannung sorgen
- Batterie als autarke Versorgung
Nach diesem Bauplan wurden in der Highlight-Phase drei Kiezboxen gebaut. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Komponenten möglichst leicht austauschbar sind, damit die Kiezbox im Falle eines Problems schnell vor Ort gewartet werden kann.
Nach dem Löten einer eigenen kleinen Platine und dem Verbauen der Komponenten in einen geeigneten Schaltschrank, konnten das Mesh-Netzwerk und die Hardware gemeinsam getestet werden. Im nächsten Schritt wird die Kiezbox unter realen Bedingungen weiter auf Herz und Nieren geprüft und der Hardware-Aufbau optimiert.
Innerhalb der Highlight-Phase ist aus dem Grobkonzept ein detaillierter Bauplan entstanden, der als Blaupause für die Serienproduktion der Kiezbox dient. Eine Skizze der Hardware-Anordnung ist auch auf GitHub zu finden.
Suche von Datenabnehmenden und Dachflächen – krisensichere Infrastruktur im Realbetrieb testen
Nachdem das Netzwerk aufgesetzt, die Reichweite getestet und die erste Hardware gebaut wurde, geht es nun darum, die Kiezbox im Realbetrieb zu testen. Denn die Kiezbox soll nicht nur im Krisenfall Kommunikation ermöglichen, sondern nimmt im Regelbetrieb mit Hilfe verschiedener Sensoren lokale Messungen, wie zum Beispiel der Luftqualität vor. Damit können verschiedene Daten für die Smart City erfasst werden, während die Box auf ihren Einsatz im Krisenfall wartet.
Projektmanagerin Ninett Rosenfeld berichtet, wie es mit der Kiezbox weitergeht:
"Wir haben die ersten drei Kiezboxen fertig und suchen nun nach spannenden Anwendungsfällen für unseren Regelbetrieb. Wir suchen Datenabnehmende, die im Pilotgebiet Schöneberg, zwischen Bayerischer Platz und EUREF Campus, verschiedenste Umweltdaten sammeln wollen. Das können Daten zur Temperatur oder Luftfeuchte sein. Wir sind da recht flexibel und offen für den Austausch mit Anwender:innen und können das geplante Sensormodul beliebig positionieren. Gerne klären wir im Austausch mit potenziellen Anwender:innen deren Use Case, geeignete Installationsorte und Bedarfe.
Wir streben an, mit den im Pilotgebiet aufgestellten Kiezboxen Daten zu sammeln, die das Stadtgeschehen monitoren und abbilden, was auch der Bevölkerung zugutekommen soll."
Ausblick
Nach dem Ende der Highlight-Phase wird natürlich weiter an der Kiezbox gearbeitet. Geplant ist der Bau weiterer Boxen und eine Testphase im Regelbetrieb. Dazu ist das Team weiter auf der Suche nach Partner:innen, bei denen die Kiezbox aufgestellt und getestet werden kann. Wer eine geeignete Dachfläche zur Verfügung stellen kann, kann sich gerne an das Projektteam wenden.
Wer die Kiezbox außerdem live und in Farbe sehen möchte, hat dazu Gelegenheit bei der Langen Nacht der Wissenschaften am 22.06.24.
Kiezbox 2.0
Wie sieht die resiliente Stadt von morgen aus? Das zeigt das Modellprojekt Kiezbox 2.0. Mit einem alternativen stromautarken Kommunikationsnetzwerk will das Projekt kritische Kommunikationsinfrastruktur im Krisenfall aufrecht erhalten – und so die Resilienz der Smart City stärken. Kiezbox 2.0 ist eine Pilotmaßnahme der Strategie Gemeinsam Digital: Berlin. Gemeinsam Digital: Berlin ist die Smart City Strategie des Landes Berlin im Rahmen des von BMWSB und KfW geförderten Programms "Modellprojekte Smart Cities".