Das Betriebssystem der Stadt: IoT-Architekturen für die Smart City

Eine Smart City ist ein riesiges, verteiltes Daten-Ökosystem. Sensoren messen Luftqualität, Bodenfeuchte in Parks, Parkplatzbelegungen oder Verkehrsflüsse. Die Herausforderung: Diese Daten entstehen an tausenden Endpunkten, nutzen unterschiedlichste Funkprotokolle (LoRaWAN, NB-IoT, 5G) und müssen in Echtzeit verarbeitet werden, um einen Mehrwert zu bieten.

Eine robuste Smart-City-Architektur muss das Problem der Daten-Heterogenität und der geografischen Verteilung lösen.

Die 3-Schichten-Architektur: Vom Sensor zum Dashboard

1. Connectivity Layer: LoRaWAN und LPWAN-Integration

In der Stadt sind viele Sensoren batteriebetrieben und an schwer zugänglichen Stellen verbaut.

• Technik: Hier setzt man auf Low Power Wide Area Networks (LPWAN) wie LoRaWAN. Ein lokales Gateway empfängt die Funksignale und wandelt sie in IP-Pakete um.
• Herausforderung: Da LoRaWAN-Pakete sehr klein sind (Payload oft nur wenige Bytes), muss die Plattform über effiziente Payload-Decoder verfügen, die diese Binärdaten wieder in lesbare JSON-Objekte transformieren.

2. Edge Layer: Vorverarbeitung und Datenschutz

Nicht jedes Datenpaket muss sofort in das zentrale Rechenzentrum.

• Technik: Edge-Knoten (z. B. an intelligenten Lichtmasten) führen eine Stream Processing Analyse durch (z. B. mit Apache Flink oder KubeEdge).
• Beispiel Video-Analyse: Eine Kamera zur Verkehrsflussmessung analysiert den Videostream lokal. Nur die Metadaten („15 PKW, 2 Busse") werden gesendet. Das eigentliche Bildmaterial wird sofort gelöscht – ein technischer Garant für die Anonymisierung und DSGVO-Konformität im öffentlichen Raum.

3. Core Platform: Digitaler Zwilling und Event-Streaming

Das Herzstück ist die zentrale Cloud-Native-Plattform, die alle Datenströme zusammenführt.

• Event Broker: Ein hochverfügbarer Cluster (z. B. MQTT Broker oder Kafka) nimmt die Daten der tausenden Gateways entgegen. MQTT ist hier der Standard, da es extrem leichtgewichtig ist und auch bei instabilen Funkverbindungen stabil arbeitet.
• Digital Twin: Moderne Städte nutzen das Konzept des Digitalen Zwillings. Jedes physische Objekt (z. B. eine Straßenlaterne) hat ein digitales Abbild im System. Statusänderungen in der Realität werden sofort in der Datenbank (z. B. einer Time-Series-Datenbank wie InfluxDB) aktualisiert.

Technische Herausforderung: Interoperabilität und Offene Standards

Damit eine Smart City nicht zum “Daten-Silo” eines einzelnen Herstellers wird, ist der Einsatz von FIWAREessenziell. FIWARE ist ein Open-Source-Framework, das Standards für das Kontext-Datenmanagement setzt.

• Orion Context Broker: Er ist das Gehirn, das weiß, welche Sensoren wo stehen und welche Werte sie liefern. Über die NGSI-LD-Schnittstelle können verschiedene Fachämter (Verkehr, Umwelt, Stadtplanung) auf dieselben Daten zugreifen, ohne dass proprietäre Schnittstellen gebaut werden müssen.

Sicherheit in der kritischen Infrastruktur (KRITIS)

Smart-City-Komponenten sind Teil der kritischen Infrastruktur. Ein Angriff auf die Ampelsteuerung oder die Wasserversorgung wäre fatal.

• Zero Trust im IoT: Jedes Gerät benötigt eine eindeutige kryptografische Identität (X.509 Zertifikate). Ein Sensor wird nur dann in das Netzwerk gelassen, wenn er sich gegenüber dem PKI-System (Public Key Infrastructure) der Stadt authentifizieren kann.
• Netzwerk-Segmentierung: Über softwaredefinierte Netzwerke (SDN) werden Smart-City-Dienste strikt voneinander isoliert. Ein gehackter Müllsensor darf niemals Zugriff auf das Netzwerk der Energieversorgung erhalten.

FAQ: Smart City & IoT Technik

Warum reicht herkömmliches WLAN für eine Smart City nicht aus? WLAN hat eine zu geringe Reichweite und einen zu hohen Stromverbrauch für batteriebetriebene Sensoren. LoRaWAN kann Daten über mehrere Kilometer senden und ermöglicht Batterielaufzeiten von bis zu 10 Jahren.

Was ist ein “Digitaler Zwilling” technisch gesehen? Technisch ist es ein JSON-Datensatz oder ein Objekt in einer Graph-Datenbank, das alle Attribute eines physischen Objekts speichert (Position, Status, letzte Wartung). Er dient als Schnittstelle für Anwendungen (z. B. eine Parkplatz-App), die nicht direkt mit dem Sensor kommunizieren müssen.

Wie geht das System mit dem Ausfall einzelner Sensoren um? Durch Observability-Tools. Da die Plattform auf Kubernetes läuft, überwacht sie nicht nur die Software, sondern auch die Datenströme. Bleiben Signale eines Sensors aus, wird automatisch ein Ticket im Facility-Management-System erstellt.

Kann man Smart-City-Daten für Bürger-Apps freigeben? Ja, über ein API-Gateway. Die internen Datenströme werden gefiltert, anonymisiert und über eine öffentliche REST-API (Open Data) bereitgestellt. So können Entwickler Drittanbieter-Apps (z. B. Feinstaub-Warner) bauen, ohne die Sicherheit der städtischen Systeme zu gefährden.

Welche Rolle spielt 5G in dieser Architektur? 5G wird dort eingesetzt, wo extrem hohe Datenraten oder minimale Latenzen nötig sind, zum Beispiel bei der Vernetzung von autonom fahrenden Bussen oder bei hochauflösenden Sicherheitskameras. Es ergänzt LPWAN-Technologien für anspruchsvollere Anwendungsfälle.