Funknetzwerk WLAN-Mesh-basierte Beleuchtung sorgt für eine strahlende Hamburger Mö

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Im Rahmen von Maßnahmen zur Stärkung der Lagequalität der Mönckebergstraße durch ein Business Improvement District (BID) sind die einfachen Straßenlampen für rund 2,5 Mio. Euro durch smarte Mastleuchten ersetzt worden. Ein WLAN-Mesh-Netzwerk sorgt für stimmungsvollen Lichtszenarien.

Bei der Mönckebergstraße, kurz Mö genannt, handelt es sich um die zwischen Hauptbahnhof und Rathaus gelegene Haupteinkaufsstraße in der Hamburger Altstadt. Der Name der 800 m langen Flaniermeile ist über die Hansestadt hinaus ein Begriff. Eingeweiht wurde die Mönckebergstraße am 26. Oktober 1909, nachdem der Senat unter dem Namensgeber Johann Georg Mönckeberg Ende des 19. Jahrhunderts den Abriss des Gängeviertels und eine großzügige Neugestaltung der Fläche beschlossen hatten. Heute erstrahlt die Flaniermeile nachts in neuem Licht, das 54 smarte Designerlampen des italienischen Unternehmens I Guzzini abgeben.

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Zur Realisierung einer vollautomatisierten Lichtsteuerung mussten die Lampen miteinander respektive mit dem Leitrechner verbunden werden. Wie sich während des Projekts herausstellte, war das eine erhebliche Herausforderung. Denn da die Bestandslampen zunächst lediglich erneuert werden sollten, konnten keine Kommunikationsleitungen zu ihnen verlegt werden. Nachdem erste Lösungsversuche mit Powerline, also der Übertragung von Ethernet-Daten über die Energieleitung, scheiterten, betrauten die Aufgabenträgerin des BIDs, die Otto Wulff BID Gesellschaft, das Systemhaus Computer Mack mit der Durchführung des Projekts. Geschäftsführer Michael Mack und sein Team entschieden sich dann nach ausgiebigen Tests für den Einsatz einer drahtlosen Kommunikationslösung, die auf WLAN-Mesh von Phoenix Contact basiert.

Experte für schwierige Projekte

Das in Stadland-Rodenkirchen im niedersächsischen Landkreis Wesermarsch ansässige Unternehmen, 1996 von Michael Mack gegründet, bietet aktuell mehr als die ursprünglichen IT-Dienstleistungen. Einen weiteren Tätigkeitsschwerpunkt stellt die Softwareentwicklung insbesondere für industrielle Gebäude- und Lichtsteuerungen dar. Seit 2017 ergänzt eine Elektronikentwicklung, die sich auf das Rapid Prototyping konzentriert, das Service-Portfolio. Hier werden kundenspezifische Produkte in wenigen Wochen von der Idee bis zum fertigen Gerät umgesetzt. Das Systemhaus zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass schwierige Projekte seit 25 Jahren individuell, lösungsorientiert und schnell zur Zufriedenheit der Auftraggeber abgeschlossen werden. Auf den Unternehmensfahrzeugen steht daher einfach in großen Buchstaben „Läuft“. Dieses Versprechen geben Michael Mack und seine Mitarbeiter den Kunden. Dabei betont Mack: „Wir realisieren gerne Aufgabenstellungen, die im Grenzbereich des Machbaren liegen.“ Mit Stolz verweist der Geschäftsführer auf die vielen komplexen Herausforderungen, die er und sein Team bisher erfolgreich gemeistert haben – darunter die vollautomatisierte Lichtsteuerung an der Mönckebergstraße.

Kommunikation mit dem Leitrechner über Modbus TCP

Die neuen 9 m neun hohen Leuchten wurden vom BID Mönckebergstraße finanziert, einem Zusammenschluss der Grundeigentümer. Neben der üblichen Straßenbeleuchtung, die weiterhin von der Stadt geschaltet wird, kann das BID die Flaniermeile nun mit individuellen Lichtszenarien erhellen. Über einstellbare LEDs lassen sich die einzelnen Häuserfassaden anstrahlen oder die Gehwege durch farbige Leuchtmittel in jeder erdenklichen Färbung illuminieren. Zu diesem Zweck sind in allen Mastleuchten jeweils zwölf separat ansteuerbare LED-Leuchtelemente verbaut.

Darüber hinaus umfasst jede zweite Mastleuchte drei weitere Schnittstellen zur Versorgung und Steuerung von Dekorbeleuchtung, die beispielweise zu Weihnachten zum Einsatz kommt. Die Leuchtelemente werden über das Dali-Protokoll von einer in der Mastleuchte befindlichen SPS gesteuert. Für die Kommunikation zwischen den einzelnen Lichtmasten und dem zentralen Leitrechner, der in einem Straßenverteilerkasten untergebracht ist, wird das Modbus-TCP-Protokoll verwendet. Der Leitrechner, der sich über das Internet fernwarten lässt, dient der Überwachung der Straßenbeleuchtung.

Kabelverlegung nicht möglich

Da es bei dem Beleuchtungsprojekt um die Aktualisierung einer Bestandsanlage geht, waren weder Kommunikationsleitungen noch Leerrohre vorhanden. Das nachträgliche Verlegen der Kabel in der Straße oder unter den Bürgersteigen hatte die Stadtverwaltung von vornherein ausgeschlossen. Deshalb stand das Systemhaus vor der Herausforderung, die Datenübertragung zu den Mastlampen umzusetzen.

Zunächst verfolgten Michael Mack und sein Team den Ansatz, die Ethernet-Daten mittels TCP/IP-Powerline über die bestehenden Energieleitungen auszutauschen. Dabei werden die Daten auf das vorhandene Energienetz aufmoduliert. Dieses Konzept wurde schnell verworfen, weil sich in der Praxis herausstellte, dass sowohl die Zuverlässigkeit der Kommunikation als auch die realisierbare Datenrate deutlich zu gering sind.

Als Alternativlösung bot sich die Nutzung einer Funktechnologie an. Vor diesem Hintergrund testeten die Mack-Mitarbeiter gemeinsam mit dem für die Elektronik-Arbeiten zuständigen Elektro Schiebold verschiedene Verfahren auf ihre Tauglichkeit. Letztendlich entschieden sich die Beleuchtungsexperten für den WLAN-Mesh-Ansatz von Phoenix Contact auf Basis der Module der WLAN-Produktfamilie 2100. Als einzige untersuchte Lösung erfüllt WLAN-Mesh die funktionalen Kriterien ebenso wie die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Datenübertragung.

Ausfallsicherheit durch Mesh-Routing

Der industrielle Access Point WLAN 2100 beinhaltet neben dem üblichen Access Point und Client-Mode ebenfalls die Betriebsart Mesh. Bei einem WLAN-Mesh-Netzwerk handelt es sich um ein autonomes, sich selbst organisierendes Ad-hoc-Netzwerk. Im Gegensatz zu den Standard-WLAN-Netzen benötigt es keine zentrale Infrastruktur. Es umfasst nur gleichberechtigte WLAN-Mesh-Knoten, die automatisch eine Verbindung (Ad-hoc) zu allen anderen Mesh-Knoten im gleichen Netzwerk aufbauen, sofern sich diese in ihrer Funkreichweite befinden. Somit kann ein Mesh-Knoten gleichzeitig mit vielen Mesh-Teilnehmern verbunden sein. Weil diese Teilnehmer wiederum über weitere Verbindungen zu anderen Knoten verfügen, entsteht automatisch ein vermaschtes Netzwerk (Mesh-Netzwerk), über das die Mesh-Teilnehmer miteinander kommunizieren können.

Sind Mesh-Teilnehmer nicht direkt erreichbar, erfolgt die Anbindung über andere Mesh-Knoten via Routing (Hops). Auf diese Weise ergibt sich eine Wegeredundanz, sodass die Daten beim Wegfall eines Mesh-Knotens einfach über einen alternativen Pfad an ihr Ziel geroutet werden, was die Ausfallsicherheit erhöht.

Wie in einem Standard-WLAN-Netzwerk sichert WPA-2-Security mit AES-Verschlüsselung die Datenübertragung vor Manipulation und Abhören ab. Über den lokalen Ethernet-Port der WLAN 2100-Mesh-Knoten lassen sich einzelne Ethernet-Geräte sowie lokale Ethernet-Netzwerke in das WLAN-Mesh-Netzwerk integrieren. Aus Sicht der Anwendung respektive der Endgeräte arbeitet das gesamte Mesh-Netzwerk logisch wie ein verteilter Switch. Der Netzwerkverkehr wird im Mesh-Netzwerk gekapselt an sein Ziel geschickt.

Baumbestand kein Hindernis

An jede der entlang der Mönckebergstraße aufgestellten Mastleuchten haben Michael Mack und seine Mitarbeiter nun im oberen Bereich einen WLAN 2100-Mesh-Knoten installiert. Die SPS zur Lampensteuerung ist dann jeweils an den Ethernet-Anschluss der Mesh-Knoten angebunden. Über einen Mesh-Knoten, der in einem Straßenverteilerkasten verbaut ist, wird das Mesh-Netzwerk und somit die Mastlampen schließlich an den zentralen Leitrechner angekoppelt. Die Distanz zwischen zwei Lampen, die auf beiden Straßenseiten montiert sind, beträgt dabei in der Regel etwa 30 m.

Allerdings sind die Straßenseiten mit Bäumen bewachsen, weshalb die Funkreichweite negativ beeinflusst werden kann. Hier zeigt sich ein Vorteil des Mesh-Netzwerks: Da es sich selbst organisiert, passt es seine Verbindungen dynamisch an die örtlichen Gegebenheiten an. Fällt eine Verbindung also mangels Sichtkontakt aus oder verschlechtert sich die Signalqualität, wird automatisch eine andere Route durch das Mesh-Netzwerk gewählt.

Optimierung der Firmware

Bei dem Projekt an der Hamburger Mönckebergstraße handelt es sich um das bislang größte mit der WLAN-Mesh-Lösung von Phoenix Contact realisierte Netzwerk. Bei dessen Umsetzung tauchten doch einige projektspezifische Herausforderungen auf, die aufgrund der guten Zusammenarbeit zwischen Computer Mack, Elektro Schiebold sowie Phoenix Contact erfolgreich gelöst worden sind. Neben den gewonnenen Erfahrungen haben die Funkspezialisten die WLAN-Mesh-Firmware weiter für derartige Anwendungsfälle optimiert. Pünktlich zu den dunkler werdenden Tagen ist die smarte Beleuchtung der Mönckebergstraße Ende 2020 in Betrieb gegangen. Nicht nur während der Weihnachtszeit hat sie die Besucher der Flaniermeile bereits jetzt wegen der schönen Lichtstimmungen überzeugt.

* Jürgen Weczerek, Produktmanager Network Technology Wireless, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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