Autonomer Dorflautsprecher

Technisches Konzept mit Spezifikation

Stand: September 2026
Standortannahme: Herborn-Schönbach, 35745
Konzept erstellt von: Sven-Holger Wabnitz
Primäres Ziel: Die vorhandenen Druckkammerlautsprecher sollen unabhängig von den beschädigten 100-V-Leitungen betrieben werden. Jeder Mast erhält dazu einen eigenen, fernverwalteten Abspielknoten für die dort vorhandenen Hörner.

Kernaussage

Das Vorhaben ist technisch realistisch und kann in drei kontrollierten Stufen umgesetzt werden. Zuerst wird die Audio- und Kommunikationsfunktion auf dem Tisch nachgewiesen. Danach entsteht ein vollständiger Feldprototyp mit zunächst 30 W Solar, frostladbarem LTO-Akku, Telemetrie und Mastgehäuse. Die endgültige Solarauslegung folgt aus Messwerten und Standortrechnung. Eine Serienauslegung ist erst nach einem Winter- und Sommertest technisch belastbar.

Inhalt

1. Konzept in Kürze
2. Ausgangslage
3. Das Zielbild
4. Die drei Projektstufen
5. Laborprototyp
6. Feldprototyp
7. Software und Bedienung
8. Use Cases
9. Budgets und Arbeitsaufwand
10. Technischer Anhang

Technisches Konzept

1. Konzept in Kürze

Die beschädigte Lautsprecherverkabelung in der Straße wird nicht erneuert. Stattdessen wird an jedem Lautsprechermast eine kleine autonome Einheit montiert. Aufträge, Statusinformationen, zentral aus Text erzeugte Audiodateien und Firmware überträgt sie im unabhängigen Serienbetrieb ausschließlich über LTE-M/NB-IoT. WLAN dient nur Labor, Inbetriebnahme und Wartung und bleibt im normalen Feldbetrieb hardwareseitig abgeschaltet. Die Mastbox speichert eine geladene Datei lokal und spielt sie zum vorgesehenen Zeitpunkt ab. Zusätzliche Funknetze, Gateways und Repeater werden bewusst vermieden: Jede Komponente muss für die Kernfunktion notwendig sein.

Das System ist keine zertifizierte Alarmierungsanlage. Es dient regelmäßigen und spontanen kommunalen Durchsagen.

Für die Umsetzung werden drei eindeutige Begriffe verwendet:

• Laborprototyp: offener Versuchsaufbau mit Netzteil, WLAN und LTE; noch ohne Solar und Akku.
• Feldprototyp: vollständiges Außengerät mit Zielplatine, zunächst 30 W Solar, LTO-Akku, Telemetrie und Mastmontage.
• Beschaffung und Ausrollung: Pilotserie und anschließende Installation, erst nach bestandenem Feldtest.

Kostenrahmen zur technischen Orientierung

Die folgenden Werte sind unverbindliche Kostenschätzungen für die beschriebenen technischen Aufbauten und keine angebotenen Festpreise.

• Laborprototyp: ungefähr 950–1.700 Euro Sachkosten, einschließlich eines zweiten Steuerknotens für Synchronisations- und Gruppentests, 24-V-Audiotest und dokumentierter Hörmessung
• Feldprototyp: ungefähr 2.660–5.490 Euro Sachkosten, einschließlich LTO, Solar, geschaltetem 24-V-Audiozweig, erforderlicher Mechanik-, Windlast- und EMV-Vorprüfungen sowie der Sachmittel für entwicklungsbegleitende Klima- und Kondensationstests
• Serienausrollung: noch kein belastbarer Stückpreis; dieser kann erst nach Feldtest, Design Freeze und Lieferantenangeboten ermittelt werden

Die Vorprüfungen sind technische Voraussetzungen für einen verantwortbaren Feldbetrieb und keine optionalen Komfortleistungen. Die vollständige Konformitätsbewertung des späteren Seriengeräts wird nach dem Design Freeze separat geplant und bepreist.

Arbeitsstunden werden in diesem Dokument getrennt ausgewiesen und nicht mit einem Stundensatz bewertet.

2. Ausgangslage

Entlang der Straße sind Druckkammerlautsprecher vorhanden. Sie wurden bisher über lange Lautsprecherleitungen mit sogenannter 100-V-ELA-Technik versorgt. Die Leitungen sind beschädigt und sollen nicht die Grundlage des zukünftigen Systems bleiben.

Die 100 V liegen nicht am eigentlichen Lautsprechertreiber an. Am Horn befindet sich ein Übertrager, der die hohe Übertragungsspannung wieder auf die niederohmige Seite des Lautsprechers umsetzt. Der Übertrager besitzt Abgriffe für 15 W, 7,5 W, 4 W und 2 W; die vorhandene Verdrahtung lag an den Anschlüssen 1 und 4 und war damit auf 15 W eingestellt. Nach vollständiger Trennung des Übertragers wurde direkt an den beiden gelben Leitungen zum Treiber ein Gleichstromwiderstand von 0,016 kΩ = ungefähr 16 Ω gemessen. Für die Auslegung wird deshalb von einem 16-Ω-Treiber und bis zu 15 W je Horn ausgegangen. Die genaue frequenzabhängige Nennimpedanz wird im Hör- und Lasttest noch bestätigt.

An jedem Mast befinden sich nach aktuellem Kenntnisstand zwei Druckkammerlautsprecher. Vorgesehen ist deshalb eine gemeinsame Mastbox mit einem Zweikanalverstärker. Jeder Lautsprecher wird an einen eigenen Verstärkerkanal angeschlossen; die Treiber werden weder parallel noch in Reihe geschaltet.

Für das neue System wird die 100-V-Übertragung nicht mehr benötigt. Der neue Verstärker sitzt unmittelbar neben den Lautsprechern. Nach eindeutiger technischer Prüfung wird jeder seiner beiden Kanäle direkt mit der niederohmigen Seite genau eines Horns verbunden. Beide Kanäle erhalten dasselbe Monosignal, können aber getrennt begrenzt und elektrisch überwacht werden. Die Last eines Horns verändert damit nicht die Impedanz des anderen Kanals. Gemeinsam bleiben jedoch Verstärkerbaustein, Stromversorgung und Gehäuse; ein Fehler in diesen gemeinsamen Baugruppen kann weiterhin beide Hörner betreffen.

Sicherheitsregel

Ein gewöhnlicher Niedervolt-Verstärker darf nicht an den 100-V-Eingang des vorhandenen Übertragers angeschlossen werden. Im neuen Betrieb wird der Übertrager vollständig vom Treiber getrennt; alter Übertrager und neuer Verstärker dürfen nie gleichzeitig an den gelben Treiberleitungen angeschlossen sein.

3. Das Zielbild

Jeder Mastknoten arbeitet weitgehend selbstständig. Die zentrale Software erzeugt aus einem bestätigten Text eine Audiodatei und teilt dem Knoten mit, welche Datei wann und gegebenenfalls einmal wiederholt wiedergegeben werden soll. Lautstärke und Sprachprofil sind als zuvor getestete Systemwerte festgelegt und nicht durch die bedienende Person verstellbar.

Die Datei wird vor dem Abspieltermin vollständig über LTE beziehungsweise während Labor und Wartung wahlweise über WLAN heruntergeladen und geprüft. Dadurch kann eine geplante Ansage auch dann stattfinden, wenn zum vorgesehenen Zeitpunkt keine Datenverbindung besteht.

Der Mastknoten meldet außerdem seinen technischen Zustand:

• Akkuladestand und Akkutemperatur
• Solarspannung, Solarstrom und Tagesertrag
• Gehäusetemperatur und Feuchte
• Wassereintritt sowie optional eine unbefugte Gehäuseöffnung
• Mobilfunksignal und letzter erfolgreicher LTE-Kontakt; WLAN-Status nur während Labor, Inbetriebnahme oder Wartung
• Firmwarestand, Neustartzähler und Speicherzustand
• letzter erfolgreicher elektrischer Audiotest sowie Status der letzten Wiedergabe mit klarer Trennung zwischen Softwareablauf und plausibler Lautsprecherlast

4. Die drei Projektstufen

4.1 Laborprototyp

Der Laborprototyp steht auf einer Montageplatte und erhält seine Energie aus einem normalen Netzteil. Er soll nicht schön klein und nicht wetterfest sein. Er soll offen, messbar und leicht veränderbar sein.

Er beantwortet folgende Fragen:

1. Ist die Sprache über das vorhandene Horn an den festgelegten Messpunkten objektiv verständlich und ausreichend laut?
2. Reichen 2 W, 4 W oder 7,5 W je 16-Ω-Horn an den festgelegten Hörpunkten aus, oder muss die bisherige 15-W-Einstellung nachgebildet werden? Welche Verstärker- und Akkuleistung ist dafür bei minimaler Akkuspannung im gleichzeitigen Zweikanalbetrieb erforderlich?
3. Funktionieren LTE und das nur für Labor beziehungsweise Wartung aktivierte WLAN zuverlässig, und wie viel Energie benötigt ein vollständiger LTE-Kontakt für Auftragsprüfung, Telemetrie und Dateidownload?
4. Können wechselnde Sprachdateien sicher heruntergeladen und gespeichert werden?
5. Funktioniert eine zeitgesteuerte Wiedergabe auch ohne aktuelle Netzverbindung?
6. Starten mindestens zwei Knoten innerhalb der festgelegten Zeittoleranz, und bleibt Sprache in überlappenden Hörbereichen verständlich?
7. Welche Erkennungszeit für kurzfristige Ansagen ist bei ein-, fünf-, sieben-, 15- und 60-minütigem Kontaktintervall energetisch erreichbar, und hält die adaptive Regelung die festgelegte Mindestreserve ein?
8. Wie hoch ist der reale Energieverbrauch in den einzelnen Betriebszuständen und im festgelegten Nutzungsprofil?

4.2 Feldprototyp

Der Feldprototyp wird neu und kompakt aufgebaut. Er enthält bereits die später vorgesehene Technik:

• eigene oder seriennahe Leiterplatte
• energiesparenden Mikrocontroller
• im Normalbetrieb abgeschaltetes WLAN für Labor, Inbetriebnahme und Wartung
• LTE-M/NB-IoT als einziger Funkweg im normalen Produktionsbetrieb
• abschaltbaren Zweikanal-Class-D-Verstärker für zwei getrennte 16-Ω-Hörner mit bis zu 15 W je Kanal
• geschalteten 12-auf-24-V-Aufwärtswandler für den Audiozweig; endgültig nur entbehrlich, falls der Hörtest 4 W je Horn belastbar als ausreichend nachweist
• zunächst 30-W-Solarmodul; Serienwert nach Standort- und Verbrauchsrechnung
• frostladbaren 5S-LTO-Akku
• LTO-kompatiblen Solarladeregler
• helles IP66/IP67-Gehäuse
• Mast- und Solarmodulhalterung
• elektrische Wiedergabeüberwachung
• Fernüberwachung, eindeutige Geräteidentität, Secure Boot und signierte Updates

Der Feldprototyp wird mindestens über einen Winter und einen Sommer betrieben.

Vor der Mastmontage müssen der Mastbetreiber und eine fachlich geeignete Stelle die konkrete Befestigung, Windangriffsfläche, Zusatzlast und Absturzsicherung freigeben. Eine EMV-Vorprüfung und die dokumentierte elektrische Sicherheitsprüfung sind ebenfalls verpflichtende Gates.

4.3 Beschaffung und Ausrollung

Erst nach bestandenem Feldtest wird die Konstruktion eingefroren. Danach werden Angebote für beispielsweise 50 Mastboxen eingeholt. Serienfertigung, Prüfungen, Mastmontage, Ersatzteile und Mobilfunkverträge werden dabei gemeinsam betrachtet. Noch zu klären ist, ob die bisher genannte Stückzahl 50 Lautsprecher oder 50 Masten bezeichnet. Bei durchgängig zwei Lautsprechern je Mast entsprächen 50 Lautsprecher ungefähr 25 Mastboxen, 50 Masten dagegen 50 Mastboxen und ungefähr 100 Lautsprechern.

5. Laborprototyp

5.1 So sieht der Versuchsaufbau aus

Der Aufbau wird auf einer professionellen Montageplatte mit Hutschiene, Sicherung, Klemmen, beschrifteten Leitungen und verschraubten Platinenhaltern aufgebaut. Ein Steckbrett ist für erste Signale möglich, aber nicht für die Audioleistung und nicht für den präsentierbaren Gesamtaufbau.

5.2 Die wesentlichen Komponenten

Steuerung und Funk: programmierbarer Walter-Mikrocontroller mit Mobilfunk

Aufgabe: Steuerung des Gerätes, LTE-M/NB-IoT, abschaltbares WLAN, Download, Speicherverwaltung und Ablaufsteuerung
Warum: Der Walter verbindet einen programmierbaren ESP32-S3-Mikrocontroller mit LTE-M/NB-IoT, WLAN, Bluetooth und GNSS in einer Baugruppe. Die Anwendungssoftware läuft direkt auf dem ESP32-S3. Ein Raspberry Pi mit Betriebssystem, Dateisystem und höherem Energiebedarf ist für diese Aufgabe unnötig.
Ausführung: LTE übernimmt im normalen Produktionsbetrieb sowohl kleine Auftrags- und Statuspakete als auch Audiodateien und Firmware. WLAN wird nur im Labor sowie bei Inbetriebnahme oder ausdrücklich freigegebener Wartung aktiviert und ansonsten einschließlich nicht benötigter Peripherie abgeschaltet. Zusätzliche LoRa-Funkmodule, Gateways und Repeater sind nicht vorgesehen.
Beschaffung: QuickSpot Walter oder europäischer Distributor wie Antratek
Planungspreis je Labor-Steuerknoten: etwa 90–180 Euro einschließlich der erforderlichen LTE-Antenne, jedoch ohne SIM und Trägerplatine

Lokaler Speicher: microSD mit High-Endurance-Karte

Aufgabe: Sprachdateien, letzte gültige Konfiguration und Diagnoseinformationen lokal speichern
Warum: Die Ansage muss auch ohne Netzverbindung abspielbar sein.
Beschaffung: BerryBase, Reichelt oder Mouser Deutschland
Planungspreis: etwa 20–40 Euro

Echtzeituhr: DS3231

Aufgabe: Abspieltermine auch nach Strom- oder Netzausfall zuverlässig einhalten
Beschaffung: BerryBase oder Reichelt
Planungspreis: etwa 12–25 Euro

Erste Audio-Vorprüfung: MAX9744

Aufgabe: Schnell und günstig feststellen, ob das vorhandene Horn verständlich und ausreichend laut angesteuert werden kann
Herstellerinformation: Adafruit MAX9744
Planungspreis: etwa 25–40 Euro

Ziel-Audioverstärker: Texas Instruments TAS5805M

Aufgabe: Digitale, effiziente und steuerbare Audioverstärkung
Warum: Der Verstärker kann außerhalb der Durchsage vollständig abgeschaltet werden.
Herstellerinformation: Texas Instruments TAS5805M
Planungspreis Evaluationsboard: etwa 230–330 Euro

Audio-Spannungsversorgung und Hörtest

Aufgabe: Die vorhandene 15-W-/16-Ω-Auslegung nachbilden, die Leistungsstufen 15 W, 7,5 W, 4 W und 2 W vergleichbar testen und erst danach die günstigste sichere Serienleistung festlegen.
Ausführung: Für den Laboraufbau ein schaltbarer 12-auf-24-V-Testwandler beziehungsweise ein 24-V-Labornetzteil mit ausreichender Stromreserve, Sicherung, Strommessung und Pufferung. Der 24-V-Zweig wird nur für Audiotests eingeschaltet. Ein Schallpegelmesser der Klasse 2 oder eine entsprechend dokumentierte Leihmessung mit Stativ dient zur Vergleichsmessung an festgelegten Hörpunkten.
Planungsbudget Hörtest-Sachmittel: etwa 200–450 Euro für Beschaffung oder Leihe eines geeigneten Schallpegelmessers einschließlich einfachem Stativ, dokumentierte Messpunkte und Testmaterial. Der 24-V-Testwandler ist separat beim Audioaufbau berücksichtigt. Ein Smartphone ersetzt diese Vergleichsmessung nicht.
Messregel: Der alte 100-V-Übertrager und der neue Niedervoltverstärker werden ausschließlich alternativ, niemals gleichzeitig an einem Treiber betrieben.

Montageplatte und Stromversorgung

Aufgabe: Sicherer und nachvollziehbarer Versuchsaufbau
Ausführung: 12 V/5 A Mean-Well-Netzteil, 24-V-Testversorgung beziehungsweise Testwandler, DC/DC-Wandler, Rittal-Montageplatte, Hutschiene, Phoenix-Contact-Klemmen, Sicherung und Beschriftung
Planungspreis zusammen: etwa 190–420 Euro einschließlich Sachreserve für den sicheren, beschrifteten Gesamtaufbau

5.3 Ergebnis des Laborprototyps

Am Ende liegt kein fertiges Außengerät vor. Es liegt aber ein belastbarer Nachweis vor, dass:

• der vorhandene Lautsprecher funktioniert,
• die Wiedergabe bei 15 W, 7,5 W, 4 W und 2 W an festgelegten Hörpunkten dokumentiert und die kleinste ausreichende Leistung bestimmt ist,
• die Auslegung für zwei getrennte 16-Ω-Treiber mit bis zu 15 W je Kanal sowie die Notwendigkeit des 24-V-Audiozweigs nachgewiesen ist,
• kleine Aufträge, Telemetrie und wechselnde Dateien über LTE sowie während des Labortests über WLAN übertragen werden können,
• Termine und Offline-Wiedergabe funktionieren,
• der reale Stromverbrauch gemessen wurde,
• die Zielkomponenten für den Feldprototyp festgelegt werden können.

6. Feldprototyp

6.1 Energieversorgung

6.2 Warum 30 Watt Solar?

Die wenigen Durchsagen allein würden kein 30-W-Modul erfordern. Maßgeblich sind vielmehr:

• die täglich laufende Zeit-, Mess- und Steuerelektronik,
• die regelmäßigen Funkkontakte,
• die geringe Wintereinstrahlung in Herborn-Schönbach,
• längere bewölkte Perioden,
• eine schnelle Erholung nach mehreren schlechten Tagen.

Das Modul wird möglichst nach Süden bis Südwesten ausgerichtet und für den Winter nahezu senkrecht beziehungsweise nur etwa 20–30 Grad aus der Senkrechten geneigt. Das reduziert Schneeauflage und verbessert den Ertrag bei tief stehender Wintersonne.

Die 30 W sind eine belastbare Vorauswahl, aber noch kein unveränderlicher Serienwert. Vor Bestellung des Feldprototyps wird eine reproduzierbare PVGIS-Off-grid-Rechnung für den konkreten Mast erstellt. Sie dokumentiert Koordinaten, Ausrichtung, Horizont und lokale Verschattung, gemessenen Tagesverbrauch, Lade- und Leitungsverluste, Akkugrenzen sowie die statistische Häufigkeit eines leeren Akkus. Zusätzlich wird der Standort vor Ort auf winterliche Verschattung geprüft.

Größen- und Preisreferenz, noch keine Produktauswahl: Offgridtec 30 W Mono 12 V
Planungspreis: etwa 45–90 Euro
Auswahlregel: Solarmodul und Laderegler werden als technisch zusammengehöriges Paar ausgewählt. Neben Leistung, Abmessungen und Temperaturbereich müssen insbesondere die empfohlene Leerlaufspannung des Reglers und die bei tiefster Auslegungstemperatur erhöhte Leerlaufspannung des Moduls zusammenpassen. Die Referenz auf Offgridtec legt weder Produkt noch Lieferant fest.
Hinweis: Ein gerahmtes Glasmodul ist robust, wiegt aber typischerweise ungefähr 2–3 kg. Es wird deshalb unabhängig von der Elektronikbox befestigt.

6.3 Warum ein LTO-Akku?

Normale LiFePO₄-Akkus dürfen üblicherweise unter 0 °C nicht geladen werden. In Herborn-Schönbach können jedoch über Wochen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt auftreten. Eine reine Ladesperre würde den Akku schützen, aber gleichzeitig verhindern, dass vorhandene Solarenergie genutzt wird.

Lithiumtitanat-Akkus – LTO – können je nach konkretem Zelltyp auch bei deutlich negativen Temperaturen geladen werden. Für dieses Projekt gilt deshalb:

Der eingesetzte Akku muss durch sein konkretes Datenblatt für das Laden bei mindestens −20 °C freigegeben sein. Eine allgemeine Werbeaussage zur LTO-Technologie genügt nicht.

Vorgesehener Akku

Ausführung: 5S-LTO-Akkupaket
Nennspannung: ungefähr 12 V
Nutzbare Energie: mindestens 53 Wh bei −20 °C und am definierten Lebensdauerende
Voraussichtliche Nennenergie: ungefähr 90–108 Wh; verbindlich erst nach Datenblatt und Lastmessung
Zielgewicht: nach Herstellerangebot; die Maststatik rechnet mit dem tatsächlichen Packgewicht
Bevorzugter kostengünstiger Aufbau: professionell konfektioniertes 5S5P-Paket aus 25 LTO-18650-Zellen mit jeweils 2,4 V und 1,5 Ah; ungefähr 12 V, 7,5 Ah, 90 Wh und rund 1,1–1,25 kg reine Zellmasse
Zielkosten Feldprototyp: ungefähr 230–400 Euro einschließlich LTO-BMS, Balancierung, Temperatursensor, Sicherung, Zellverbindern und Konfektionierung
Zielpreis bei 50 Stück: erst nach Datenblattprüfung und Angebot belastbar

Als derzeitige Zellreferenz dient die Acada-LTO-Zelle mit 2,4 V und 1,5 Ah. 25 Zellen kosten zum aktuellen Einzelpreis zusammen ungefähr 174 Euro einschließlich 19 Prozent Mehrwertsteuer. Das Datenblatt nennt Laden bis −40 °C und mindestens 12.000 Zyklen bei 80 Prozent Entladetiefe. Der daraus abgeleitete Zielpreis des fertigen Packs ist eine Planungsschätzung, noch kein Lieferantenangebot.

Die Zahl 25 bezeichnet einzelne zylindrische Zellen und nicht 25 fertige Akkus. Eine 18650-Zelle ist ungefähr 18,6 mm dick, 64,8 mm lang und höchstens etwa 45 g schwer. In einer kompakten 5-mal-5-Anordnung benötigt der reine Zellblock rechnerisch ungefähr 93 × 93 × 65 mm. Einschließlich Zellhaltern, Verbindern, Isolation, BMS, Temperatursensor, Sicherung und mechanischem Schutz wird vorläufig mit ungefähr 120 × 110 × 85 mm und etwa 1,3–1,6 kg für das vollständige 5S5P-Paket gerechnet. Das entspricht ungefähr einem Liter Volumen und erzwingt keine außergewöhnlich große Mastbox. Die endgültigen Abmessungen ergeben sich aus der professionellen Packkonstruktion.

Die elektrische Herleitung lautet: Fünf Zellen in Reihe ergeben ungefähr 12 V, aber zunächst nur 1,5 Ah beziehungsweise 18 Wh. Fünf solcher Zellgruppen parallel ergeben 7,5 Ah beziehungsweise 90 Wh; daher 5S × 5P = 25 Zellen. Ein Aufbau mit nur 15 Zellen hätte zwar nominell 54 Wh, würde die geforderten 53 Wh aber bereits vor Kälte-, Alterungs- und Schutzreserven praktisch vollständig ausnutzen. Auch 20 Zellen mit 72 Wh sind voraussichtlich zu knapp. Die 25 Zellen sind deshalb keine Leistungsübertreibung, sondern die erste plausible Größe mit Reserve; Omnitron soll diese Annahme anhand realer Kälte- und Lebensdauerdaten überprüfen.

Als bevorzugter Gesprächs- und Entwicklungspartner für das Akkupaket wird Omnitron Griese aufgenommen. Das Unternehmen entwickelt kundenspezifische LTO-Pakete vom Prototyp bis zur Serie einschließlich BMS, Ladetechnik, Gehäuse, Schweißtechnik und Prüfung. Der Produktions- und Kompetenzstandort in Hilchenbach ermöglicht eine persönliche technische Abstimmung vor Ort. Angefragt werden zunächst ein 5S5P-Entwurf mit 90 Wh und als Rückfalloption ein 5S6P-Entwurf mit 108 Wh.

Der 5S5P-Aufbau wird nur übernommen, wenn ein professioneller Packhersteller für das fertige Paket mindestens 53 Wh nutzbare Energie bei −20 °C und am definierten Lebensdauerende bestätigt. Reichen die Kälte- und Alterungsreserven der 90 Wh Nennenergie nicht aus, wird auf 5S6P mit 108 Wh erhöht.

Ein LTO-Paket ist teurer als ein einfacher LiFePO₄-Block. Bei 50 hoch montierten Geräten ist jedoch nicht allein der Akkupreis entscheidend. Ein einziger vorzeitiger Austausch aller Akkus würde Hubsteiger, Personal, Verkehrssicherung und neue Batterien erfordern. Deshalb wird auf eine geplante Nutzungsdauer von mindestens zehn Jahren und ein Entwicklungsziel von 15 Jahren hingearbeitet.

Technische Referenzen:

• Toshiba SCiB – LTO-Technologie
• µArt/LaskaKit 3,9-Ah-LTO-Modul als Beispiel für Gewicht und Tieftemperaturtechnik

Das kleine µArt-Modul ist ein Technologiereferenzpunkt, aber nicht automatisch das fertige 12-V-Paket. Für den Feldprototyp wird ein professionell aufgebautes 5S-Paket mit BMS, Balancierung, Sicherung und Temperaturmessung benötigt. Die Kapazität wird nicht allein aus der Nennenergie abgeleitet, sondern aus der bei Kälte, Alterung und den festgelegten Schutzgrenzen tatsächlich nutzbaren Energie.

6.4 Mastmontage

Elektronikbox und Solarmodul werden als zwei getrennte Einheiten montiert. Dadurch bleibt die Elektronikbox leicht, und die Windlast des Solarmoduls wird nicht über das Boxgehäuse übertragen.

Solarmodul

• Edelstahlhalterung mit zwei Klemmen
• möglichst dicht am Mast, kein langer seitlicher Ausleger
• nahezu senkrechte Winterausrichtung
• bevorzugte Referenz: Fiedler DSP20 oder DSPV90
• Planungspreis einschließlich Klemmen: etwa 80–180 Euro

Elektronikbox

• helles, UV-beständiges Polycarbonat
• IP66 oder IP67 mit geeignetem Druckausgleich
• zwei Edelstahl-Spannbänder mit vertikalem Abstand
• EPDM-Streifen als Rutsch- und Lackschutz
• zusätzliche unabhängige Edelstahl-Fangschlaufe
• Kabeleinführungen ausschließlich nach unten
• Montage auf der Nord- oder Nordostseite beziehungsweise im Schatten des Moduls

Geeignete europäische Gehäuse- und Befestigungsanbieter sind:

• Bopla, Deutschland – Mastbefestigung
• Rittal, Deutschland – Kunststoffgehäuse
• Fibox, Finnland – Polycarbonatgehäuse
• WISKA, Deutschland – Kabelverschraubungen und Druckausgleich

Für Laborprototyp und Feldprototyp werden vorzugsweise fertige, dokumentierte Industriegehäuse von Rittal oder einem technisch gleichwertigen Anbieter eingesetzt. Sie sind ohne eigenes Werkzeug kurzfristig verfügbar und erlauben einen reproduzierbaren Innenausbau, die Dichtheitsprüfung und eine sichere Mastmontage, bevor die endgültige Stückzahl feststeht.

Für eine spätere individuelle Serienbox wird zusätzlich die regionale Reinhard Bretthauer GmbH, Dillenburg-Frohnhausen angefragt. Das Unternehmen entwickelt und fertigt Kunststoff-Spritzgussteile, Werkzeuge und Baugruppen. Ein auf dieses Gerät abgestimmtes Gehäuse kann bei ausreichender Stückzahl günstiger werden als ein zugekauftes Fertiggehäuse, weil Befestigungspunkte, Dichtnut, Montageebenen und Kabelwege direkt integriert werden können. Der mögliche Preisvorteil hängt jedoch wesentlich von Stückzahl, Werkzeugkosten, Material, Schutzart und Prüfaufwand ab und wird erst nach Design Freeze mit einem Vergleichsangebot belegt.

Die endgültige Befestigung muss vom Mastbetreiber beziehungsweise einem geeigneten Fachbetrieb freigegeben werden. Ohne Zustimmung werden keine Löcher gebohrt und keine Teile an den Mast geschweißt.

6.5 Telemetrie ohne unnötigen Stromverbrauch

Temperatur, Ladestand und weitere Werte können alle 15 Minuten lokal erfasst werden, ohne dafür eine Mobilfunkverbindung aufzubauen. Die Prüfung auf neue oder widerrufene Aufträge wird davon getrennt und nicht mit einem unveränderlichen 15-Minuten-Takt betrieben. Das Kontaktintervall richtet sich nach nutzbarer Akkureserve, aktuellem Solarertrag, Übertragungsweg, gemessenem Energiebedarf eines vollständigen Kontakts und betrieblicher Dringlichkeit.

Als vorläufige, im Labor zu verifizierende Rückfallregel wird folgende Staffelung vorgesehen:

Die Prozentwerte erhalten Hysterese und eine Mindestverweilzeit, damit der Knoten an einer Schwelle nicht ständig zwischen zwei Zuständen wechselt. Der Ladezustand wird nicht allein aus der momentanen Akkuspannung abgeleitet, sondern aus BMS-Daten sowie gemessenem Lade- und Entladestrom fortgeschrieben und mit Spannung und Temperatur plausibilisiert.

Ein leichter Abruf fragt zunächst nur eine kleine, revisionsbasierte Warteschlange beziehungsweise einen Änderungszähler ab. Audiodateien, Konfigurationen oder Firmware werden nur bei einer tatsächlich neuen Revision übertragen. Bestehende sichere Verbindungen und Netzregistrierungen werden wiederverwendet, wenn dies weniger Energie benötigt als ein vollständiger Neuaufbau. Gerade bei LTE können Aufwecken, Netzanmeldung und verschlüsselte Verbindungsaufnahme deutlich mehr Energie erfordern als die wenigen Nutzdaten; deshalb wird der komplette Ablauf gemessen.

Für ein gemessenes Abrufintervall t in Minuten und die Energie e_Abruf je vollständigem Kontakt gilt:

Anzahl Abrufe pro Tag = 1.440 / t

Abrufenergie pro Tag = (1.440 / t) × e_Abruf

Oberhalb der betrieblichen Mindestreserve von 20 Prozent ist die frei planbare Energie näherungsweise:

E_frei = (Ladezustand − 20 Prozent) × nutzbare Akkuenergie / 100

Die Software wählt das schnellste Intervall, bei dem Grundverbrauch, geplante Audiowiedergaben und gemessene Abrufenergie die festgelegte Mindestreserve bis zum nächsten konservativ erwartbaren Ladezeitpunkt nicht unterschreiten. Die feste Schwellentabelle dient nur als sicherer Startwert; Messdaten aus Labor- und Wintertest bestimmen die endgültigen Intervalle.

Diese Strategie spart erheblich mehr Energie als die Messung selbst. Das LTE-Modem, der Audioverstärker und möglichst auch die SD-Karte werden außerhalb ihrer Nutzung vollständig abgeschaltet. Bei hoher Akkureserve kann eine kurzfristige Ansage innerhalb ungefähr einer Minute entdeckt werden. Sinkt die Reserve, wird bewusst eine längere Reaktionszeit zugunsten der Betriebsdauer akzeptiert.

Eine plötzlich eingestellte Ansage kann naturgemäß erst beim nächsten Kontakt erkannt werden. Eine garantiert sofortige Alarmierung würde eine dauerhaft empfangsbereite Push-Verbindung oder ein separates Alarmierungssystem verlangen. Das Dorflautsprechersystem kann dringende Informationen bevorzugt behandeln, bleibt aber ausdrücklich keine sicherheitsgerichtete Brand- oder Bevölkerungswarnanlage.

6.6 Kommunikationsstrategie: LTE und abgeschaltetes WLAN

Im normalen Produktionsbetrieb verwendet jede Mastbox ausschließlich LTE-M/NB-IoT. Derselbe Funkweg überträgt Auftragsrevisionen, Widerrufe, Zeitsynchronisation, Status, Telemetrie, Audiodateien, Konfiguration und Firmware. Dadurch entfallen ein zweites Funkmodul, zusätzliche Antenne, LoRaWAN-Gateway, Repeater, Funknetzverwaltung sowie deren Entwicklungs-, Prüf- und Wartungsaufwand.

WLAN bleibt im Gerät vorhanden, weil es Bestandteil des ESP32-S3 ist und die Entwicklung vor Ort erleichtert. Es wird jedoch nur im Labor, bei der Inbetriebnahme oder für eine ausdrücklich freigegebene Wartung aktiviert. Im normalen Feldbetrieb ist WLAN einschließlich nicht benötigter Peripherie abgeschaltet und gehört nicht zur Verfügbarkeitsannahme.

Das LTE-Modem bleibt zwischen den Kontakten im sparsamsten praktisch nutzbaren Zustand. Ob eine bestehende Netzregistrierung erhalten oder das Modem vollständig abgeschaltet wird, entscheidet die Messung des gesamten Ablaufs. Eine Neuanmeldung, verschlüsselte Verbindung und Serveranfrage können mehr Energie benötigen als die wenigen Nutzdaten. Deshalb werden gute und schwache Empfangslage sowie alle vorgesehenen Kontaktintervalle am realen Walter-Aufbau gemessen.

Das vorgesehene Walter-Modul verbindet einen frei programmierbaren ESP32-S3 mit LTE-M/NB-IoT, WLAN, Bluetooth und GNSS. Der Hersteller nennt ungefähr 9,8 µA für den tiefen Schlaf bei ESP32-S3-Deep-Sleep und Mobilfunkmodem im PSM. Dieser Datenblattwert ist nur die Untergrenze zwischen den Kontakten; für die Solarauslegung zählt die gemessene Energie aus Schlaf, Aufwecken, Netzanmeldung, Authentisierung, Übertragung und Rückkehr in den Schlafzustand.

Die Leitlinie lautet: so wenig Komponenten und Übertragungswege wie möglich, aber so viele wie für die Kernfunktion nötig. Für Herborn-Schönbach wird deshalb bewusst kein eigenes LoRaWAN mit Gateways oder Repeatern aufgebaut. Voraussetzung bleibt, dass LTE-M/NB-IoT an jedem vorgesehenen Mast mit der vorgesehenen Antenne ausreichend zuverlässig erreichbar ist. Funklücken werden zunächst durch Antennenposition, geeignete Außenantenne und gegebenenfalls die Wahl eines anderen Mobilfunknetzes behandelt; ein zusätzliches lokales Funknetz ist nicht Bestandteil dieses Konzepts.

7. Software und Bedienung

Die Bedienoberfläche muss nicht technisch wirken. Eine berechtigte Person soll im Wesentlichen vier Dinge tun können:

1. Text eingeben oder optional sprechen; die Spracheingabe wird zunächst in Text umgewandelt und muss vor dem Absenden sichtbar geprüft und bestätigt werden
2. gewünschte Lautsprecher beziehungsweise Gruppen auswählen
3. Zeitpunkt sowie „keine Wiederholung“ oder „eine Wiederholung“ festlegen
4. anschließend getrennt erkennen, ob der Auftrag bestätigt, die zentral erzeugte Audiodatei geladen, der Audiopfad elektrisch aktiv und die Wiedergabe beendet wurde

Eigene Audiodateien werden nicht hochgeladen. Lautstärke, Sprachprofil, Ausgabedateiformat und zulässige Maximaldauer sind zentral festgelegte und getestete Systemparameter; die Bedienoberfläche bietet dafür keine Regelmöglichkeit.

Softwarearchitektur

Wesentliche Grundsätze:

• Der Mastknoten baut sämtliche Verbindungen ausgehend auf.
• Am Mast müssen keine öffentlich erreichbaren Ports geöffnet werden.
• Jedes Gerät besitzt eine eindeutige Identität und ein eigenes, nicht exportierbares oder verschlüsselt gespeichertes Gerätegeheimnis.
• Gerät und Server authentisieren sich gegenseitig; Transportverbindungen werden verschlüsselt.
• Ansageaufträge, Konfigurationen, Audiodateien und Firmware werden vor Verwendung auf Herkunft, Berechtigung, Integrität, Revision und Gültigkeitszeitraum geprüft.
• Ein bestätigter Text wird zentral per Text-to-Speech in eine Audiodatei mit festem Sprachprofil, festem Pegel und definiertem Format umgesetzt. Eine optionale Spracheingabe wird nur als zu prüfender Textentwurf behandelt; eine automatische Auslösung ohne sichtbare Textbestätigung ist nicht zulässig.
• Auftrags-IDs, monotone Revisionen und Nonces verhindern Wiederholungsangriffe und die Aktivierung veralteter Aufträge.
• Secure Boot und geschützte Speicherung verhindern, dass manipulierte Software oder ausgelesene Schlüssel den Knoten übernehmen.
• Updates werden signiert, gegen Downgrades geschützt und zuerst auf einem Testgerät installiert.
• Bei einem fehlerhaften Update muss die vorherige Version automatisch wieder starten.
• Ein Serverausfall verhindert keine bereits heruntergeladene Ansage.
• Der Kontaktplaner passt die Auftragsprüfung an Akkureserve, Solarertrag, Übertragungsweg und den gemessenen Energiebedarf eines Kontakts an; eine kleine Revisionsabfrage löst nur bei Änderungen einen größeren Download aus.
• Dringliche Aufträge werden beim nächsten Kontakt bevorzugt verarbeitet. Das jeweilige Kontaktintervall bleibt die technisch ehrliche Obergrenze der Erkennungszeit.
• Die Lautsprechersteuerung ist nicht öffentlich zugänglich.
• Administrative und freigabeberechtigte Benutzerkonten verwenden Mehrfaktor-Authentisierung; Rechte werden nach dem Minimalprinzip vergeben.
• Rollen, Freigaben und jede Änderung an Inhalt, Zielgruppe, Zeitpunkt und Wiederholung werden revisionssicher protokolliert.
• Schlüssel können rotiert und einzelne verlorene oder manipulierte Geräte gesperrt werden.

Zeit- und Auftragsmodell

• Intern werden alle Termine in UTC gespeichert; die Weboberfläche stellt sie in der lokalen Zeitzone dar.
• Jeder Auftrag enthält eine eindeutige ID, Revision, not_before, play_at, expires_at, Zielgruppe, das Feld repeat_once sowie den kryptografischen Hash der zentral erzeugten Audiodatei. Lautstärke und Sprachprofil sind keine auftragsbezogenen Bedienwerte, sondern fest konfigurierte Systemparameter.
• Eine höhere Revision ersetzt eine niedrigere. Ein Widerruf wird als eigene, mindestens bis nach expires_at gespeicherte Revision verteilt.
• Verpasste Ansagen werden nach Ablauf nicht nachgeholt, sofern der Auftrag dies nicht ausdrücklich erlaubt.
• Geplante Ansagen dürfen nach vollständiger Bestätigung offline abgespielt werden. Die Bedienoberfläche weist darauf hin, dass ein späterer Widerruf einen bereits offline befindlichen Knoten nicht sicher erreicht.
• Kurzfristige Ansagen erhalten ein kurzes Gültigkeitsfenster und werden nur abgespielt, wenn der Knoten innerhalb der festgelegten Frischezeit Kontakt zum Server hatte.
• Die RTC wird bei jedem geeigneten Netz- oder GNSS-Kontakt korrigiert. Zeitunsicherheit, letzte Synchronisation und RTC-Status werden gemeldet.
• Für Gruppenwiedergabe gilt als technisches Ziel ein Startversatz von höchstens 100 ms, solange die letzte belastbare Zeitsynchronisation weniger als eine Stunde zurückliegt. Der Mehrknotentest legt fest, ob für überlappende Hörbereiche ein engerer Grenzwert oder standortabhängige Laufzeitkorrekturen erforderlich sind. Bei größerer Zeitunsicherheit meldet der Knoten den degradierten Zustand; die Betriebsregel für diesen Fall wird vor dem Feldtest festgelegt.

Aussagekraft der Wiedergabemeldung

Der Mastknoten unterscheidet mindestens folgende Zustände:

1. Auftrag empfangen und authentisiert
2. Datei vollständig geladen und geprüft
3. Wiedergabe gestartet
4. Verstärker aktiv und plausible elektrische Lautsprecherlast erkannt
5. Wiedergabe softwareseitig beendet

Ein erfolgreicher Softwareablauf wird nicht als akustisch verifizierte Wiedergabe bezeichnet. Der Feldprototyp erhält mindestens Verstärker-Fehlersignal sowie Strom- oder Impedanzüberwachung, damit Leitungsbruch und ein offensichtlich fehlender Treiber erkannt werden. Eine akustische Prüfung mit Mikrofon ist nur nach gesonderter Datenschutz- und Nutzenabwägung vorgesehen.

8. Use Cases

Geplante Durchsage

Eine berechtigte Person tippt den Ansagetext ein oder spricht ihn als Textentwurf ein. Sie liest und bestätigt den erkannten Text, wählt die gewünschten Masten sowie den Zeitpunkt und legt fest: keine Wiederholung oder eine Wiederholung. Der zentrale Dienst erzeugt daraus mit dem festgelegten Sprachprofil und Systempegel eine Audiodatei. Die Geräte laden diese Datei frühzeitig, prüfen Auftrag und Datei und bestätigen die aktuelle Revision. Zum Termin wird lokal abgespielt; bei gewählter Wiederholung genau ein weiteres Mal nach einem zuvor festgelegten Abstand. Die Bedienoberfläche zeigt getrennt an, welche Geräte die aktuelle Revision bestätigt haben und welche seitdem nicht mehr erreichbar waren.

Spontane Durchsage

Eine neue Ansage wird kurzfristig eingestellt. Bei normaler Funkversorgung erkennt der Knoten sie beim nächsten energieabhängig geplanten Kontakt. Bei hoher Akkureserve ist als vorläufiges Ziel ungefähr eine Minute vorgesehen; bei sinkender Reserve verlängert sich das Intervall stufenweise. Der Auftrag besitzt ein kurzes Gültigkeitsfenster und wird nicht mehr abgespielt, wenn die zulässige Frische des letzten Serverkontakts überschritten ist. Das System bleibt ausdrücklich keine Alarmierungsanlage; die angezeigte Erkennungszeit ist ein Betriebsziel und keine garantierte Notfall-Reaktionszeit.

Geänderte oder widerrufene Durchsage

Eine Änderung erhält eine höhere Auftragsrevision. Ein Widerruf wird ebenfalls als Revision verteilt und bis nach Ende des ursprünglichen Gültigkeitsfensters gespeichert. Die Bedienoberfläche warnt, wenn ein Gerät den Widerruf noch nicht bestätigt hat. Bei bereits offline bestätigten, geplanten Ansagen bleibt dieses Restrisiko sichtbar; besonders zeitkritische Inhalte erhalten deshalb kurze Gültigkeits- und Frischefenster.

Unterbrochener Download

Eine unvollständige oder fehlerhafte Datei wird niemals aktiviert. Die letzte gültige Datei bleibt erhalten, und der Fehler wird gemeldet.

Keine Verbindung zum Abspieltermin

Eine bereits geladene und noch gültige geplante Ansage wird trotzdem wiedergegeben. Abgelaufene oder als kurzfristig markierte Ansagen ohne ausreichend frischen Serverkontakt werden verworfen. Der Mastknoten meldet das Ereignis nach Wiederherstellung der Verbindung.

Fernupdate

Eine neue Firmware wird zunächst auf einem Testgerät installiert. Nach erfolgreicher Prüfung erfolgt die gestaffelte Verteilung. Startet die neue Version nicht ordnungsgemäß, wird automatisch auf die vorherige zurückgeschaltet. Secure Boot, Signaturprüfung und Anti-Rollback verhindern dabei nicht autorisierte Software und das Zurücksetzen auf eine bekannte unsichere Version.

Schwache Batterie oder Solarfehler

Das Gerät reduziert nicht notwendige Kommunikation, meldet den Zustand und schützt den Akku. Auf der Bedienoberfläche wird sichtbar, ob vermutlich Verschattung, Schnee, ein Kabelproblem oder eine gealterte Batterie vorliegt.

9. Budgets und Arbeitsaufwand

9.1 Sachbudgets

Die Bandbreiten sind keine angebotenen Festpreise. Sie machen die technische Größenordnung sichtbar, ohne bereits heute einen späteren Serienpreis zu behaupten. Die Sachbudgets enthalten keine Arbeitskosten. Eine vollständige Konformitätsbewertung und gegebenenfalls externe akkreditierte Laborprüfungen des eingefrorenen Seriengeräts sind darin noch nicht enthalten.

Herleitung des Sachbudgets für den Laborprototyp

Die folgende Tabelle zeigt, wie sich das Laborbudget einschließlich des neuen 24-V-Audiozweigs und des Hörtests zusammensetzt. Sie enthält ausschließlich Sachkosten; die zugehörigen Stunden stehen getrennt in Abschnitt 9.2.

Ein Smartphone ersetzt den Schallpegelmesser nicht. Falls später eine rückführbar kalibrierte Messung gefordert wird, wird deren externe Durchführung separat beauftragt; sie ist nicht als stiller Pflichtposten eingerechnet.

Herleitung des Sachbudgets für den Feldprototyp

Die folgende Zusammenfassung ordnet das bereits genannte Gesamtbudget den wesentlichen Bauteilen und Prüfblöcken zu. Sie enthält keine Arbeitskosten und stellt keine zusätzlichen Kosten gegenüber der vorstehenden Tabelle dar.

9.2 Arbeitsstunden Laborprototyp

9.3 Arbeitsstunden Feldprototyp

Die Stunden werden bewusst nicht mit einem Stundensatz multipliziert. Sie zeigen, welche Arbeit hinter den sichtbaren Bauteilen steht und welche Aufgaben intern oder extern übernommen werden können. Die zugehörigen Sachmittel für die entwicklungsbegleitenden Klima- und Kondensationstests sind getrennt in Abschnitt 9.1 ausgewiesen.

9.4 Laufende Kommunikations- und Betriebskosten

Für LTE gilt als reines Rechenbeispiel bei angenommenen 2 Euro je aktiver SIM und Monat:

Im vorgesehenen unabhängigen Serienbetrieb erhält jede Mastbox einen aktiven LTE-Vertrag. Vor der Serie werden Einzel-, Pool- und Rahmenverträge sowie Tarife mit kleiner Datenmenge verglichen. Ein gemeinsamer Datenpool ist besonders sinnvoll, weil nicht jede Mastbox in jedem Monat dieselbe Datenmenge benötigt.

Der reine Audiodatenbedarf ist dabei voraussichtlich klein: Fünf Minuten Sprache benötigen bei effizienter Sprachkompression mit 16–32 kbit/s ungefähr 0,6–1,2 MB. Eine neue fünfminütige Ansage pro Woche ergibt damit ungefähr 2,4–4,8 MB je Mast und Monat. Für 25 Mastboxen sind das zusammen rund 60–120 MB pro Monat, für 50 Mastboxen rund 120–240 MB pro Monat, jeweils zuzüglich Protokollverkehr, Diagnose und gelegentlicher Firmware-Updates. Deshalb werden ausdrücklich kleine beziehungsweise gemeinsam gepoolte M2M-/IoT-Datenkontingente angefragt; große Endkundentarife mit mehreren Gigabyte sind für dieses Nutzungsprofil nicht erforderlich.

Die LTE-Tabelle ist bewusst keine vollständige Betriebskostenrechnung. Zusätzlich entstehen für das zentrale System weitere Positionen, die derzeit noch nicht beziffert werden können und deshalb nicht in den LTE-Beträgen oder den Sachbudgets enthalten sind:

Diese Positionen werden vor der Serienfreigabe als eigener Betriebs- und Wartungsrahmen ermittelt. Ihre fehlende Bezifferung bedeutet nicht, dass sie kostenfrei sind, sondern dass technische Architektur, Eigenleistung, Fremdleistung und Lizenzmodell noch nicht entschieden sind.

Technischer Anhang

A. Technische Anforderungen an den Mastknoten

A.1 Funktionsanforderungen

Der Mastknoten muss:

• aus bestätigten Texten zentral erzeugte Audiodateien herunterladen und lokal speichern,
• Herkunft, Berechtigung und Integrität von Auftrag und Datei vor Aktivierung prüfen,
• mindestens einen gültigen Auftrag offline vorhalten,
• Revisionen, Ablaufzeiten und Widerrufe eindeutig verarbeiten,
• eine noch gültige geplante Ansage zeitgesteuert ohne Netzverbindung starten,
• Wiedergabestart, elektrische Last, Ende und Fehler getrennt protokollieren,
• LTE-M/NB-IoT im normalen Produktionsbetrieb für Aufträge, Telemetrie, zentral erzeugte Audiodateien und Firmware verwenden,
• WLAN im normalen Serienbetrieb deaktivieren und nur für Labor, Inbetriebnahme sowie ausdrücklich freigegebene Wartung aktivieren,
• kurzfristige Aufträge bei hoher Energiereserve möglichst innerhalb einer Minute und bei reduzierter Energiereserve innerhalb des jeweils ausgewiesenen adaptiven Kontaktintervalls erkennen,
• die Auftragsprüfung anhand von BMS-Ladezustand, Solarertrag, gemessenem Kontaktverbrauch und einer betrieblichen Mindestreserve von zunächst 20 Prozent steuern,
• seine Zeitunsicherheit und den Zeitpunkt der letzten Synchronisation melden,
• Konfiguration und Firmware authentisiert und gegen Downgrade geschützt aktualisieren,
• bei fehlgeschlagenem Update automatisch zurückrollen,
• Energie- und Betriebsdaten erfassen,
• nicht benötigte Baugruppen vollständig abschalten.

A.2 Nichtfunktionale Anforderungen

• nachgewiesener Außentemperaturbereich mindestens von −20 °C bis +50 °C
• Datenblattfreigabe sämtlicher aktiver und passiver Bauteile, Speicher, Steckverbinder und Hilfsbatterien für den festgelegten Temperaturbereich
• Kaltstart und vollständige Funktion von Steuerung, Zeitbasis, Speicher, Funk, Audio und Ladetechnik bei −20 °C
• Einhaltung der zulässigen Innen-, Akku- und Leiterplattentemperaturen bei Sonneneinstrahlung, Hot-Soak und Ladebetrieb
• UV-beständiges und korrosionsfestes Gehäuse
• Schutzart IP66 oder IP67
• konstruktiver Kondensationsschutz durch trockene Montage, Druckausgleich, geeignete Kabeleinführungen und korrosionsarme beziehungsweise geschützte Leiterplatten
• keine eingehenden öffentlichen Netzwerkverbindungen
• reproduzierbarer Aufbau mit dokumentierter Stückliste
• eindeutige kryptografische Geräteidentität und nachvollziehbarer Firmwarestand
• Secure Boot, geschützte Schlüsselspeicherung, gegenseitige Authentisierung und verschlüsselte Kommunikation
• Schlüsselrotation, Gerätesperrung und revisionssichere Bedienprotokolle
• Wartung und Diagnose aus der Ferne
• Schutz gegen Tiefentladung, Überspannung, Übertemperatur und unzulässige Ladung
• definierte sichere Zustände bei ungültiger Zeit, beschädigtem Speicher, fehlender Geräteidentität und wiederholtem Neustart

A.3 Sicherheit, Freigaben und Konformität

Vor dem Feldbetrieb werden Verantwortliche für Gerät, Backend, Mastmontage und Wartung benannt. Erforderlich sind mindestens:

• dokumentierte Freigabe von Mast, Windangriffsfläche, Zusatzgewicht, Spannbändern und unabhängiger Fangschlaufe,
• elektrische Sicherheitsprüfung sowie Bewertung von ESD, indirekten Überspannungen, Verpolung, Kurzschluss und Kabelschäden,
• EMV-Vorprüfung des vollständigen Feldgeräts mit Funk, DC/DC-Wandler und Class-D-Verstärker,
• dokumentierter Kältetest in Anlehnung an IEC 60068-2-1:2025,
• dokumentierter Trockene-Wärme-/Hot-Soak-Test in Anlehnung an IEC 60068-2-2:2025,
• dokumentierter Temperaturwechseltest in Anlehnung an IEC 60068-2-14:2023,
• dokumentierter zyklischer Feuchte- und Kondensationstest in Anlehnung an IEC 60068-2-30:2025,
• Wassereintritts- und Berührungsschutzprüfung entsprechend der vorgesehenen Schutzart nach IEC 60529,
• vor der Serie eine auf das Gesamtgerät bezogene Bewertung der anwendbaren Anforderungen, insbesondere Funkanlagen-, EMV-, Stoff-, Batterie- und Entsorgungsvorgaben,
• technische Dokumentation, Risikobeurteilung, Prüfnachweise, eindeutiger Hersteller beziehungsweise Betreiber und geregeltes Änderungsmanagement nach dem Design Freeze.

Die Zulassung oder Herstellererklärung einzelner Module ersetzt nicht die Bewertung des zusammengesetzten Endgeräts.

B. Verdrahtung auf Funktionsebene

B.1 Leitungsgrundsätze

• 12-V-Eingang des Audio-Aufwärtswandlers unmittelbar am Akku absichern; der erzeugte 24-V-Zweig erhält zusätzlich eine geeignete Begrenzung und Pufferung.
• Für jeden Lautsprecherkanal mindestens 0,75 mm² vorsehen; endgültiger Querschnitt nach gemessenem Strom und Leitungslänge.
• Logik und Funkbaugruppen über einen eigenen abgesicherten Zweig versorgen.
• LTE-Sende- sowie Audio-Aufwärtswandlerspitzen durch getrennte ausreichend dimensionierte lokale Pufferung und geeignete Entkopplung abfangen.
• SPI- und I²S-Leitungen kurz halten und Masseführung sorgfältig planen.
• Beide Lautsprecherleitungen kurz, getrennt und ausreichend dimensioniert ausführen; die Hörner weder parallel noch in Reihe schalten.
• Bei beiden Hörnern den 100-V-Übertrager vollständig aus dem neuen Signalweg nehmen und die stillgelegte 100-V-Seite berührungssicher isolieren.
• Beide Hörner mit dokumentierter gleicher Polarität anschließen; getrennte Pegel- und Laufzeitkorrektur bleibt softwareseitig möglich.
• Bei brückengeschaltetem Class-D-Ausgang keinen Ausgang mit Masse, Gehäuse oder Schutzleiter verbinden.
• Audioausgang, PV-Leitung und externe Antennen gegen die für den Standort plausiblen ESD- und indirekten Überspannungsereignisse schützen.

C. Vorgesehene Feldkomponenten

C.1 Controller und Funk

Technik: Walter mit programmierbarem ESP32-S3, integriertem LTE-M/NB-IoT-Modem und im Normalbetrieb abgeschaltetem WLAN
Produktionsfunk: LTE-M/NB-IoT für kleine Auftrags- und Statusdaten, Audiodateien, Konfiguration und Firmware
WLAN: ausschließlich für Labor, Inbetriebnahme und ausdrücklich freigegebene Wartung; im normalen Feldbetrieb einschließlich nicht benötigter Peripherie abgeschaltet
Schnittstellen: LTE-M/NB-IoT, abschaltbares WLAN, SPI, I²C, I²S und ausreichend Schaltausgänge
Anschlussreserve: Walter stellt laut Herstellerdatenblatt 24 zugängliche Ein-/Ausgänge zusätzlich zu Versorgung und Programmieranschluss bereit. Für Speicher, Audio, BMS, Sensorik und Schaltsignale werden vorläufig ungefähr 15–18 dieser Anschlüsse benötigt. Die endgültige Belegung wird im Schaltplan festgelegt und muss eine Reserve für Prüfung und spätere Korrekturen lassen.
Antennen: nur eine zum Walter beziehungsweise Mobilfunkmodem passende und freigegebene LTE-Antenne für den Produktionsbetrieb; WLAN-Antennenanforderung nur für Labor und Wartung berücksichtigen
Europäische Antennenquelle: 2J Antennas, Slowakei

C.2 Audio

Zielbaustein: TAS5805M oder nach dem Labortest gleichwertiger Zweikanal-Class-D-Verstärker
Anschluss: je ein Horn an einen eigenen Kanal; keine Parallel- oder Reihenschaltung
Gemessener Ausgangspunkt: Gleichstromwiderstand direkt am vollständig getrennten Treiber ungefähr 16 Ω; vorhandener 100-V-Übertrager war an Abgriff 1–4 und damit auf 15 W je Horn eingestellt
Planungsleistung: zwei Kanäle mit jeweils bis zu 15 W an 16 Ω. Im Hörtest werden 15 W, 7,5 W, 4 W und 2 W verglichen; eine geringere Serienleistung ist nur bei dokumentiert gleicher ausreichender Verständlichkeit zulässig
Versorgung: abgesicherter 12-V-Akkuzweig, schaltbarer 12-auf-24-V-Aufwärtswandler und geregelter Audio-PVDD. Der TAS5805M unterstützt 4,5–26,4 V; die konkrete 2×15-W-/16-Ω-Fähigkeit wird mit minimaler Akkuspannung, Toleranzen, Temperatur und Verzerrungsgrenze gemessen.
Energiesparen: hardwareseitige Abschaltung außerhalb einer Ansage
Schutz der Hörner: je Kanal parametrierter Hochpass, DC-Sperre, Peak-/RMS-Limiter und definierte maximale Lautstärke
Rückmeldung: Verstärker-Fehlersignal sowie getrennte Strom- oder Impedanzprüfung je Kanal zur Erkennung von Leerlauf, Kurzschluss und unplausibler Last
Gemeinsame Fehlerdomäne: Die Kanallasten beeinflussen einander nicht durch Parallel- oder Reihenschaltung; Verstärkerbaustein, Versorgung, Freigabe und Steuerung bleiben jedoch gemeinsame mögliche Ausfallursachen

C.3 Speicher und Zeit

Speicher: hochwertige High-Endurance- oder Industrial-microSD
Zeitbasis: DS3231 oder geeignete Industrie-RTC mit eigener Pufferung; die Real-Time Clock hält Datum und Uhrzeit auch bei schlafendem Controller, fehlendem Mobilfunk oder kurzzeitig unterbrochener Hauptversorgung und wird regelmäßig über Mobilfunk beziehungsweise GNSS korrigiert
Verhalten bei Fehlern: letzte vollständig geprüfte Datei und Konfiguration bleiben erhalten

C.4 LTO-Akku

Topologie: 5S
Nennspannung: ungefähr 12 V
Ladeende: typischerweise ungefähr 14 V; verbindlich ist das konkrete Zelldatenblatt
Nutzbare Energie: mindestens 53 Wh bei −20 °C und am definierten Lebensdauerende
Voraussichtliche Nennenergie: ungefähr 90–108 Wh; endgültige Kapazität nach Messung und Hersteller-Derating
BMS: Zellüberwachung, Balancierung, Über-/Unterspannung, Strom- und Temperaturschutz
Zusatz: separate Sicherung unmittelbar am Akku
Vorläufige Packabmessungen 5S5P: ungefähr 120 × 110 × 85 mm einschließlich BMS und mechanischem Schutz; durch den Packhersteller zu optimieren und zu bestätigen
Beschaffung: bevorzugte technische Abstimmung mit Omnitron Griese, anschließend Vergleichsangebot; keine ungesicherten Einzelzellen im Mastgehäuse

Geprüfte Beschaffungsvarianten

Ein Eigenbau aus losen Zellen ist nur als interner Laborprüfling vertretbar. Das Außengerät erhält ein fachgerecht verschweißtes beziehungsweise verbundenes und geprüftes Paket mit Zugentlastung, Isolation, BMS, Sicherung und dokumentierter Zellchargen-Rückverfolgbarkeit.

C.5 Solarladeregler

Der Regler muss ausdrücklich für das eingesetzte 5S-LTO-Paket parametrierbar sein. Ein fest eingestellter Blei- oder LiFePO₄-Modus genügt nicht. Eine Produktauswahl allein nach dem Reglerpreis wäre ebenfalls nicht sachgerecht: Sein täglicher Eigenverbrauch beeinflusst die notwendige Akku- und Solardimensionierung.

Für den Feldprototyp wird zunächst der stromsparende Genasun GV-5 eingeplant. Der deutlich günstigere Victron wird als alternative Systemauslegung mitgeführt, damit die Mehrkosten des Reglers nachvollziehbar gegen einen gegebenenfalls größeren Akku gerechnet werden können. Die genannten Einzelpreise sind Marktpreise zur Orientierung mit Stand September 2026 und noch keine ausgehandelten Projektpreise.

Der kleinere Genasun GV-5 ist gegenüber dem zuvor betrachteten GV-10 für 195 Euro die passendere technische Referenz, weil die 5-A-Ausführung für 30 W genügt und noch weniger Ruhestrom benötigt. Er verlangt jedoch ein Solarmodul mit höchstens 22 V Leerlaufspannung unter Standard-Testbedingungen; auch bei tiefster Auslegungstemperatur darf die absolute 27-V-Eingangsgrenze nicht überschritten werden. Das bisher genannte Offgridtec-Modul mit 24 V Leerlaufspannung ist deshalb kein passender Partner für den GV-5.

Der Genasun-Regler besitzt keine eigene Zellenüberwachung und ersetzt das BMS nicht. Das professionelle Akkupaket muss den Regler bei unzulässiger Zellspannung, Temperatur oder Strombelastung sicher sperren können. Solarstrom und Tagesertrag werden bei dieser Variante durch die Geräteelektronik separat gemessen. Auch die kundenspezifische Lade- und Lastabschaltkonfiguration muss vor Bestellung anhand des konkreten Akkudatenblatts schriftlich bestätigt werden.

Der Preisvergleich wird auf Systemebene geführt: Gegenüber 10 mA Reglerverbrauch spart der GV-5 während 14 Tagen ohne Solarertrag ungefähr 40 Wh reine Verbrauchsenergie. Einschließlich der vorgesehenen 25-Prozent-Reserve entspricht das rund 50 Wh zusätzlich erforderlicher nutzbarer Akkukapazität. Ein Victron-System würde damit voraussichtlich ungefähr 102 Wh statt 53 Wh nutzbare Energie bei −20 °C und am Lebensdauerende benötigen. Muss diese Reserve durch einen größeren LTO-Akku bereitgestellt werden, kann der Preisvorteil des Reglers teilweise oder vollständig entfallen. Festgelegt wird daher die Variante mit den geringsten Gesamtkosten aus Regler, passendem Modul und notwendiger Akkukapazität, welche alle technischen Grenzwerte erfüllt.

Der Offgridtec MPPT PRO-X 10A bleibt eine technisch mögliche Alternative. Benutzerdefinierte Lithium-Spannungen, RS485 und Tieftemperaturabschaltung sind für das Projekt nützlich. Sein Eigenverbrauch ist nicht grundsätzlich zu hoch; er führt lediglich zu einer anderen Systemauslegung als der sehr sparsame Genasun-Regler.

Einordnung des Eigenverbrauchs in verständlichen Größen

Die Angabe 30 mA beschreibt einen kleinen, aber dauernden Stromfluss. Bei 12 V ergibt sich daraus:

0,030 A × 12 V = 0,36 W und 0,36 W × 24 h = 8,64 Wh pro Tag

Watt beschreibt dabei die momentane Leistung; Wattstunden beschreiben die über eine Zeit verbrauchte Energiemenge. Die 8,6 Wh sind im normalen Solarbetrieb gut beherrschbar. Problematisch werden sie nur für das bewusst konservative Auslegungsziel, auch 14 Tage ohne nennenswerten Solarertrag zu überbrücken.

Ein 30-W-Modul liefert unter idealen Bedingungen 30 Wh je Stunde voller Nennleistung. Für 11,6 Wh Tagesbedarf wären rechnerisch knapp 0,4 Stunden erforderlich; mit Lade-, Temperatur- und Leitungsverlusten sind grob 0,5–0,7 Stunden äquivalente volle Sonnenleistung pro Tag anzusetzen. Das wird an vielen Tagen erreicht, und auch diffuses Licht trägt Energie bei. Bei starker Winterverschattung, Schnee auf dem Modul, dichtem Nebel, anhaltend sehr dunkler Bewölkung oder einer Störung kann der Tagesertrag jedoch unter dem Verbrauch liegen.

Die 14 Tage ohne nennenswerten Solarertrag sind deshalb kein erwarteter Normalzustand, sondern eine robuste Schlechtwetter- und Störungsreserve. Im Normalbetrieb soll das Modul den Tagesverbrauch laufend ausgleichen. Der Akku wird außerdem nicht absichtlich vollständig entladen: Telemetrie meldet einen niedrigen Ladezustand frühzeitig, und BMS beziehungsweise Lastabschaltung trennen die Verbraucher vor einer schädlichen Tiefentladung.

Damit ist der PRO-X sinnvoll einsetzbar, wenn entweder eine sichere Reserve von ungefähr vier bis fünf Tagen genügt, ein deutlich größerer Akku vorgesehen wird oder die standortbezogene PVGIS-Rechnung eine kürzere erforderliche Überbrückungszeit belastbar rechtfertigt. Der Genasun bleibt vorläufig eingeplant, weil er das derzeit gesetzte 14-Tage-Ziel mit dem kleineren Akkupaket ermöglicht – nicht weil der PRO-X im normalen Solarbetrieb grundsätzlich ungeeignet wäre.

Erforderlich sind:

• MPPT für ein 30-W-/12-V-Modul
• einstellbare Ladeendspannung passend zum LTO-Datenblatt
• keine Blei-Ausgleichs- oder Desulfatierungsladung
• Temperaturmessung am Akku
• temperaturabhängige Strombegrenzung
• sehr geringer Eigenverbrauch
• Messung beziehungsweise Bereitstellung von Solarstrom und Tagesertrag
• Lastabschaltung bei kritischem Ladezustand
• dokumentierte sichere Reaktion auf defekten oder nicht plausiblen Temperaturfühler

Die Regler-/Modulkombination wird erst festgelegt, wenn Akkudatenblatt, BMS-Schnittstelle, Kälteverhalten, PV-Leerlaufspannung, EMV, reale Ruhestrommessung und die Gesamtkosten der Energieversorgung zusammenpassen. Für eine spätere Serie der noch zu klärenden Anzahl von Mastboxen wird zusätzlich geprüft, ob eine kleine integrierte Energieplatine wirtschaftlicher und leichter ist als ein universeller Solarregler.

C.6 Gehäuse

Material: helles Polycarbonat
Schutzart: IP66/IP67
Vorläufige Außengrößenordnung: ungefähr 250–300 × 200 × 120 mm; endgültig nach Omnitron-Packentwurf, Zielplatine, Kabelbiegeradien und thermischer Prüfung
Zielgewicht der vollständigen Box: grob 2,5–3,5 kg ohne Solarmodul und vorhandenen Lautsprecher; durch den Feldprototyp zu bestätigen
Innenaufbau: Akku unten, Elektronik darüber, Zugentlastung an allen Kabeln
Druckausgleich: hydrophobe Membran beziehungsweise geeigneter Druckausgleichseinsatz
Kabeleinführung: ausschließlich unten
Thermik: zulässige Bauteil- und Akkutemperaturen werden aus gemessener Innentemperatur unter Sonne und Ladebetrieb abgeleitet, nicht allein aus der Außentemperatur
Kondensation: trockene Montage, hydrophober Druckausgleich, geeignete Kabelverschraubungen, Feuchteüberwachung und bei Bedarf Schutzlack oder wechselbares Trockenmittel; IP66/IP67 allein gilt nicht als Nachweis eines kondensationsfreien Innenraums Beschaffungsweg: Rittal oder technisch gleichwertiges Fertiggehäuse für Labor- und Feldprototyp; nach erfolgreichem Feldtest ist Bretthauer als regionaler Entwicklungspartner für ein individuelles Seriengehäuse mit einem Preisvergleich gegen das Fertiggehäuse einzubeziehen

C.7 Sensorik, Messstellen und Walter-Anschlussplanung

Viele gemeldete Werte bedeuten nicht jeweils einen zusätzlichen, irgendwo angeklebten Einzelsensor. BMS, Verstärker und Messbausteine liefern mehrere Werte gemeinsam. Möglichst viele Bauteile werden direkt auf der Zielplatine verlötet. Nur die Akku-Temperaturfühler benötigen einen definierten thermischen Kontakt zu den Zellen; ihre Lage, Befestigung, Isolation und Zugentlastung legt der professionelle Packhersteller fest.

Verbindlicher Mindestumfang des Feldprototyps

Damit werden voraussichtlich zwei bis vier Temperaturmessstellen benötigt: ein bis zwei im Akkupaket, eine kombinierte Temperatur-/Feuchtemessung im Gehäuse und nur bei unzureichender Verstärkerdiagnose ein zusätzlicher Fühler an der Leistungsstufe. Eine größere Zahl pauschal verteilter Temperatursensoren ist nicht vorgesehen. Rauch-, Außenluft-, Neigungs- und Erschütterungssensoren gehören zunächst nicht zum Mindestumfang. Ein Rauchmelder wäre im feuchten und staubigen Außenbereich störanfällig und würde keine zertifizierte Brandmeldefunktion ersetzen.

Vorläufige Anschlussbilanz des Walter

Mehrere Sensoren teilen sich I²C, SPI oder einen anderen Bus und benötigen deshalb nicht jeweils einen eigenen Walter-Anschluss. Vor Freigabe des Leiterplattenlayouts werden Pinbelegung, Spannungspegel, Startzustände, mögliche Adresskonflikte und der sichere Zustand jedes Ausgangs geprüft. Der Planungswert von 15–18 Anschlüssen ist keine bereits eingefrorene Verdrahtung, sondern eine Reserveprüfung für den folgenden Schaltplan.

D. Energie- und Betriebsmodell

D.1 Durchsageenergie

Die vorhandene Verdrahtung war je Horn auf 15 W eingestellt. Für zwei Hörner ergeben sich daher 30 W elektrische Ausgangsleistung. Einschließlich Class-D-Verstärker, 12-auf-24-V-Wandler, Pufferung und Sicherheitsreserve wird für eine laute Durchsage zunächst mit höchstens 45 W Aufnahme aus dem 12-V-Akku gerechnet:

45 W × 5/60 h = 3,75 Wh

Bei einer gemeinsamen Durchsage pro Woche entspricht das im Tagesmittel ungefähr 0,54 Wh. Der geplante Akku wird nicht wegen der höheren Spannung vergrößert: Der Wandler verändert die Spannung, nicht die benötigte Nutzenergie. Seine Verluste sind in den 45 W bereits enthalten. Drei wöchentliche Durchsagen über beide Hörner entsprechen im Tagesmittel ungefähr 1,61 Wh allein für Audio und werden als abweichender Ereignisbetrieb separat gerechnet.

Die Durchsagen sind deshalb nicht der größte Verbraucher. Entscheidend sind Ruhestrom, Funkverbindungen und unnötig eingeschaltete Baugruppen.

Für die Dimensionierung gilt zunächst folgendes Nutzungsprofil:

• energieabhängige leichte Auftragsprüfung; vorläufig zwischen einer Minute bei hoher Reserve und 30–60 Minuten unterhalb der betrieblichen Mindestreserve,
• gebündelte Telemetrie alle ein bis drei Stunden,
• im erwarteten Regelbetrieb ungefähr eine fünfminütige Durchsage pro Woche gleichzeitig über beide Hörner,
• ein konservatives wöchentliches Audioenergiebudget von zunächst höchstens 5 Wh; häufigere Wiedergaben werden als Ereignisbetrieb separat gerechnet,
• regelmäßiger elektrischer Audiotest,
• lokales Messen und Speichern auch während einer Funkstörung.

Ein abweichender Ereignisbetrieb mit täglich mehreren langen Durchsagen wird separat gerechnet. Das System ist nicht für unbegrenzten Audiobetrieb dimensioniert.

D.2 Zielwerte

• optimierter mittlerer Systemverbrauch: möglichst 1–2 Wh pro Tag
• konservativer Planungswert für das definierte Nutzungsprofil: höchstens 3 Wh pro Tag
• gewünschte Überbrückung ohne nennenswerten Solarertrag: mindestens 14 Tage
• rechnerischer Energiebedarf dafür: 3 Wh/Tag × 14 Tage = 42 Wh
• Mindestreserve auf diesen Bedarf: 25 Prozent für Alterung, Kälte, Wandlungsverluste und Messunsicherheit
• erforderliche nutzbare Akkuenergie bei −20 °C und am Lebensdauerende: mindestens 52,5 Wh, aufgerundet 53 Wh

Diese Auslegung setzt eine Ladeelektronik mit sehr geringem Ruhestrom voraus. Bei Verwendung des Victron SmartSolar mit mindestens ungefähr 10 mA Eigenverbrauch steigt der konservative Tagesbedarf rechnerisch auf rund 5,8 Wh. Für dieselben 14 Tage und 25 Prozent Reserve wären dann ungefähr 102 Wh nutzbare Akkuenergie erforderlich. Mit dem Offgridtec PRO-X und bis zu 30 mA Eigenverbrauch läge der Gesamtbedarf bei rund 11,6 Wh pro Tag; für 14 Tage zuzüglich Reserve wären ungefähr 203 Wh nutzbare Akkuenergie erforderlich. Mit dem unveränderten 53-Wh-Akku ergäben sich rechnerisch etwa 4,6 Tage ohne Solarertrag. Ein günstigerer Regler kann daher verwendet werden, aber nur zusammen mit der dazu passenden Festlegung von Akkugröße und Überbrückungszeit.

Die Nennenergie des Akkus darf nicht mit der nutzbaren Energie gleichgesetzt werden. Die endgültige Kapazität wird aus den Messwerten des Laborprototyps und den garantierten Temperatur- und Alterungsdaten des konkreten Akkupakets berechnet.

D.3 Solar- und Zuverlässigkeitsrechnung

Für den Feldstandort wird eine dokumentierte Off-grid-Simulation mit historischen Stundenwerten erstellt. Eingaben und Ergebnisse umfassen mindestens:

• Koordinaten, Neigung, Ausrichtung, Horizont und zusätzliche lokale Verschattung,
• reale Modulleistung sowie Lade-, Leitungs- und Temperaturverluste,
• stündliches Lastprofil einschließlich Funk und Durchsagen,
• nominale und bei Kälte beziehungsweise Lebensdauerende nutzbare Akkukapazität,
• Anzahl und Dauer der simulierten Tage mit leerem Akku,
• Erholungszeit nach einer 14-tägigen Schlechtwetterperiode.

30 W bleiben die Ausgangsgröße für den Feldprototyp. Ein anderer Wert ist zulässig, wenn Standortmessung und Simulation ihn nachvollziehbar begründen.

Die Simulation unterscheidet ausdrücklich zwischen dem Normalbetrieb mit täglichem, auch diffusem Solarertrag und dem konservativen Reservefall ohne nennenswerten Ertrag. Sie zeigt damit, ob die geforderten 14 Tage am konkreten Standort wirklich notwendig sind oder ob eine kürzere Überbrückungszeit und damit ein preisgünstigerer Laderegler vertretbar sind.

E. Telemetrieplan

E.1 Messintervall

• tagsüber alle 15 Minuten messen
• nachts ebenfalls messen, aber nicht routinemäßig senden
• Auftragsprüfung getrennt von der lokalen Messung energieabhängig steuern: vorläufig 1 Minute oberhalb 40 Prozent, 5 Minuten bei 30–40 Prozent, 7 Minuten bei 25–30 Prozent, 15 Minuten bei 20–25 Prozent und 30–60 Minuten unterhalb 20 Prozent
• endgültige Schwellen und Intervalle aus dem gemessenen Energiebedarf vollständiger LTE-Kontakte, BMS-Ladezustand, Solarertrag und Reserveprognose ableiten; WLAN-Leckstrom separat prüfen
• normale Übertragung alle ein bis drei Stunden gebündelt
• Nachtwerte am Morgen gemeinsam übertragen
• kritische Fehler unmittelbar melden

E.2 Kritische Ereignisse

• Akku unterschreitet Warnschwelle
• Akkutemperatur außerhalb des zulässigen Bereichs
• Laderegler liefert trotz plausibler Sonneneinstrahlung keinen Ertrag
• Wasser im Gehäuse
• wiederholte Neustarts
• Speichermedium fehlerhaft oder fast voll
• Verstärker- oder Audiotest fehlgeschlagen
• ungewöhnlich lange fehlende Serververbindung
• ungültige oder zu unsichere Gerätezeit
• fehlgeschlagene Geräteauthentisierung oder wiederholte abgewiesene Aufträge

F. Test- und Abnahmekriterien

F.1 Laborprototyp

• niederohmige Seite beider Hörner eindeutig identifiziert, vom jeweiligen 100-V-Übertrager getrennt und dokumentiert
• vor Testbeginn festgelegte Messpunkte, Hintergrundgeräusche sowie Mindestwerte für Sprachverständlichkeit und Schalldruck
• Grenzwerte für maximalen Schalldruck und zulässige Verzerrung eingehalten
• Gleichstromwiderstand direkt am vollständig getrennten Treiber mit ungefähr 16 Ω gemessen; vorhandene 1–4-Übertragerverdrahtung als bisherige 15-W-Einstellung dokumentiert
• erforderliche Verstärkerleistung je Kanal sowie gleichzeitiger Zweikanalbetrieb bei minimaler Akkuspannung gemessen; 15 W, 7,5 W, 4 W und 2 W je Horn mit identischer Sprachdatei und festem Referenzpegel verglichen
• Schallpegel und Sprachverständlichkeit an vorher festgelegten Hörpunkten dokumentiert; die niedrigste ausreichende Leistung ist nachvollziehbar begründet
• alter 100-V-Übertrager und neuer Niedervoltverstärker nie gleichzeitig an einem Treiber angeschlossen
• Hochpass, DC-Schutz sowie Peak-/RMS-Limiter verhindern unzulässige Belastung des Horns
• fünfminütige, zentral erzeugte Datei beim festgelegten Systempegel ohne Aussetzer oder thermische Abschaltung abspielbar
• kleine Auftrags- und Statuspakete sowie der Download einer wechselnden, zentral erzeugten Audiodatei über LTE erfolgreich; derselbe Ablauf für Laborzwecke zusätzlich über WLAN geprüft
• fehlerhafte oder unvollständige Datei wird nicht aktiviert
• manipulierte, nicht authentisierte, abgelaufene und wiederholte Aufträge werden abgewiesen
• Offline-Wiedergabe startet zum geplanten Zeitpunkt; abgelaufene Aufträge werden nicht nachgeholt
• Widerruf und höhere Auftragsrevision verdrängen die vorherige Version
• kurzfristiger Auftrag wird bei normaler Funkversorgung innerhalb des jeweils ausgewiesenen adaptiven Kontaktintervalls erkannt
• Energie eines vollständigen LTE-Auftragskontakts einschließlich Aufwecken, Netzanmeldung, Authentisierung, Prüfung und Rückkehr in den Schlafzustand für alle vorgesehenen Intervalle und Empfangslagen gemessen; WLAN-Abschaltung und verbleibender Leckstrom nachgewiesen
• zwei reale Knoten starten bei frischer Zeitsynchronisation innerhalb von 100 ms; das akustische Ergebnis im Überlappungsbereich ist dokumentiert
• Leitungsbruch, Leerlauf und Kurzschluss werden durch die elektrische Wiedergabeüberwachung erkannt
• Verbrauch von Schlaf-, Mess-, Funk-, Download- und Audiobetrieb getrennt erfasst
• mindestens 30 Tage Dauerlauf ohne manuellen Neustart

F.2 Feldprototyp

• Laden des LTO-Akkus bei Frost innerhalb des freigegebenen Zellbereichs nachgewiesen
• vollständiges Gerät nach Kältelagerung bei −20 °C gestartet; RTC, Speicher, LTE, abschaltbares WLAN, Audio, Sensorik und Laderegler funktionieren innerhalb ihrer Grenzwerte
• Schutz bei zu niedriger und zu hoher Temperatur funktioniert
• Temperaturwechselprüfung ohne Neustart, Undichtigkeit, gelöste Verbindung oder unzulässige Parameterabweichung bestanden
• zyklische Feuchte- und Kondensationsprüfung ohne Kriechstrom, Korrosion, Isolationsfehler oder Funktionsverlust bestanden
• mindestens 14 Tage Betrieb ohne nennenswerten Solarertrag mit dem definierten 3-Wh-Tagesprofil sowie dokumentierter 3,75-Wh-Maximaldurchsage und anschließender kontrollierter Erholung
• Telemetrie wird vollständig lokal erfasst und gebündelt übertragen
• Akku-, Klima-, Solar-, Wasser- und Audiomessstellen liefern plausible Werte; Unterbrechung, Kurzschluss oder unplausibler Wert eines kritischen Fühlers werden erkannt und führen in den festgelegten sicheren Zustand
• Hot-Soak-, Sommer- und Ladebetrieb ohne unzulässige Innen-, Leiterplatten- oder Akkutemperatur
• Mastbox, Modulhalterung, Fangschlaufen und Kabel bleiben mechanisch sicher
• kein Wassereintritt und keine problematische Kondensation
• Secure Boot, signiertes Update, Anti-Rollback, Schlüsselrotation, Gerätesperrung und automatisches Rollback erfolgreich getestet
• EMV-Vorprüfung und elektrische Sicherheitsprüfung ohne offenen kritischen Befund
• Mastbetreiber und fachlich geeignete Stelle haben konkrete Befestigung, Windlast und Absturzsicherung freigegeben
• mindestens ein vollständiger Winter- und Sommertest ohne ungeplanten Vor-Ort-Neustart

G. Beschaffungsübersicht

Die folgenden Quellen sind Ausgangspunkte, keine abschließende Lieferantenfestlegung:

• Controller/LTE: QuickSpot, Antratek
• Audioverstärker: Texas Instruments TAS5805M, Mouser oder DigiKey Deutschland
• Prototypen-Audio: Adafruit MAX9744, europäischer Distributor
• Hörtest-Messtechnik als Preisreferenz: PCE-325D Schallpegelmesser Klasse 2; Beschaffung oder Leihe erst für den Vergleich der Leistungsstufen
• 30-W-Solarmodul als Größen- und Preisreferenz: Offgridtec 30 W Mono; die endgültige Auswahl erfolgt zusammen mit dem Laderegler
• LTO-MPPT-Prüfkandidaten: Genasun GV-5 Lithium Custom Voltage, Victron SmartSolar 75/10
• Weitere MPPT-Vergleichsvariante: Offgridtec MPPT PRO-X 10A
• Solarhalterung: Fiedler DSP20/DSPV90
• Gehäuse/Mastbefestigung für Labor- und Feldprototyp: Bopla, Rittal oder Fibox; Rittal als bevorzugte Referenz für ein fertiges, dokumentiertes Industriegehäuse
• Individuelles Seriengehäuse nach Design Freeze: Reinhard Bretthauer GmbH, Dillenburg-Frohnhausen, Anfrage für werkzeuggebundenes Kunststoffgehäuse und Baugruppenmontage; Preisvergleich gegen Fertiggehäuse abhängig von Stückzahl und Werkzeugkosten
• Kabelverschraubungen/Druckausgleich: WISKA
• Antennen: 2J Antennas
• LTO-Technik: Toshiba SCiB
• Kleines LTO-Referenzmodul: µArt/LaskaKit
• Bevorzugte LTO-Zellreferenz: Acada 2,4 V/1,5 Ah LTO-18650 für einen professionellen 5S5P-Aufbau
• Alternative größere LTO-Zelle: NECOSIN 2,3 V/10 Ah LTO 32145
• Bevorzugter Gesprächs- und Entwicklungspartner für die Akkukonfektionierung: Omnitron Griese, Produktions- und Kompetenzstandort Hilchenbach; nach technischer Klärung Vergleichsangebot weiterer europäischer Packhersteller
• Elektronikdistribution: Mouser Deutschland, DigiKey Deutschland, RS, Farnell und Reichelt
• Solarertragsprüfung: PVGIS der Europäischen Kommission
• Strahlungsdaten: Deutscher Wetterdienst
• Radar-Pegeltechnik für netzferne Standorte: OTT RLS, OTT Solar Flood Monitoring System
• Alternative Radar-Pegeltechnik: Campbell Scientific RangeVue 30

G.1 Beschaffungsbündelung

Die technische Auswahl erfolgt zunächst unabhängig von einem bestimmten Händler. Erst wenn die optimal zusammenpassenden Komponenten durch Labor- und Feldtest feststehen, werden Liefermöglichkeiten gebündelt und Mengenpreise verhandelt. Die mögliche Bündelung darf die technische Vorzugsauswahl nicht verändern.

Im späteren Beschaffungsschritt werden mehrere geeignete Händler, Distributoren und Hersteller angefragt. Offgridtec ist dabei eine mögliche Bezugsquelle unter mehreren, aber nicht als Lieferant gesetzt. Gebündelt werden insbesondere Solarmodul, Solarkabel, Steckverbinder, Sicherungen, Trennelemente und weiteres Installationsmaterial, sofern exakt die festgelegten Typen oder technisch gleichwertige freigegebene Alternativen angeboten werden. Für den Feldprototyp und eine mögliche Serie der noch zu klärenden Anzahl von Mastboxen werden getrennte Angebote eingeholt.

Komponenten werden nicht allein für einen Mengenrabatt ersetzt. Für das professionelle 5S-LTO-Akkupaket, die Mast-Sonderbefestigung, das Industriegehäuse sowie Steuerungs- und Audioelektronik können deshalb weiterhin spezialisierte Hersteller beziehungsweise Elektronikdistributoren erforderlich sein.

H. Offene Punkte vor Bestellung

H.1 Lautsprechersystem

1. Klären, ob die genannte Gesamtzahl 50 Lautsprecher oder 50 Masten bezeichnet, und bestätigen, ob tatsächlich an jedem Mast zwei Hörner vorhanden sind.
2. Typenschild, Übertrageraufdruck, aktuelle Abgriffbelegung und Verdrahtung beider Hörner je Mast fotografisch dokumentieren.
3. Die bereits gemessenen ungefähr 16 Ω Gleichstromwiderstand je vollständig getrenntem Treiber mit zweitem Messgerät oder vierleiterfähiger Messung plausibilisieren; Typenschild oder frequenzabhängigen Impedanzverlauf erfassen, sofern verfügbar.
4. Je ein Horn an einen eigenen 16-Ω-Verstärkerkanal anschließen; gleichzeitigen Betrieb, richtige Polarität, getrennte Lastüberwachung, Leistung bei minimaler Akkuspannung und Verhalten bei Ausfall eines Horns prüfen.
5. Gegebenenfalls vorhandene Schutz- oder Frequenzweichenbauteile erfassen und erforderlichen Hochpass sowie Peak-/RMS-Limiter je Kanal festlegen.
6. Hörfläche, Messpunkte, Hintergrundgeräusch sowie Zielwerte für Verständlichkeit und Schalldruck festlegen; vorhandenen 15-W-Betrieb gegen 7,5 W, 4 W und 2 W mit derselben Sprachdatei vergleichen und die niedrigste ausreichende Leistung freigeben.
7. LTE-M-/NB-IoT-Abdeckung an einem repräsentativen Mast mit dem vorgesehenen Walter-Modul und der vorgesehenen Antenne für alle verfügbaren Betreibernetze messen; WLAN ausschließlich für Labor und Wartung prüfen.
8. Mastdurchmesser, Material, Montagehöhe, Windangriffsfläche und zulässige Zusatzlast erfassen.
9. Verschattung und Südausrichtung des vorgesehenen Feldstandorts prüfen und PVGIS-Rechnung dokumentieren.
10. Reale Energieaufnahme des Laborprototyps einschließlich gleichzeitigem Zweikanalbetrieb bei 15 W je 16-Ω-Horn, geschaltetem 12-auf-24-V-Zweig und adaptiver Auftragsprüfung im festgelegten Nutzungsprofil messen.
11. Mit Omnitron in Hilchenbach den 5S5P-/5S6P-Aufbau, Zelltyp, BMS, Frostladung, Packabmessungen, Prüfungen und Preise für Prototyp sowie die nach der Bestandsklärung benötigte Serienmenge besprechen; anschließend mindestens ein Vergleichsangebot einholen. Gefordert bleiben mindestens 53 Wh nutzbare Energie bei −20 °C und am definierten Lebensdauerende.
12. Passenden LTO-MPPT-Regler beziehungsweise Energieplatine festlegen.
13. Nach Auswahl von BMS, Laderegler und Verstärker den Messstellen- und Pinplan aus Abschnitt C.7 vervollständigen; doppelte Sensoren vermeiden und mindestens sechs freie beziehungsweise für Prüfung nutzbare Walter-Anschlüsse anstreben.
14. Mechanische, elektrische, regulatorische und betriebliche Verantwortlichkeiten für Feldtest und Serie bestimmen.
15. Benutzerrollen, Freigabeprozess, Schlüsselverwaltung und Aufbewahrungszeit der Geräte- und Bedienprotokolle festlegen.
16. Entscheiden, wie mit einer Gruppenansage verfahren wird, wenn die Zeitunsicherheit einzelner Knoten über dem Grenzwert liegt.

H.3 Adaptive Auftragsprüfung

1. Nachweisen, dass WLAN im normalen Feldbetrieb einschließlich zugehöriger Versorgung und Peripherie vollständig abgeschaltet ist, und den verbleibenden Leck- beziehungsweise Ruhestrom messen.
2. Energie eines vollständigen LTE-M-/NB-IoT-Kontakts bei Intervallen von 1, 5, 7, 15 und 60 Minuten, bei guter und schwacher Empfangslage, mit erhaltener Netzregistrierung sowie nach vollständiger Neuanmeldung einschließlich Authentisierung und Serveranfrage messen. Alle Ergebnisse in Wh pro Tag für die jeweiligen Intervalle umrechnen.
3. Prüfen, wie genau BMS beziehungsweise separater Coulomb- und Energiezähler den Ladezustand des konkreten LTO-Pakets bei Temperaturänderungen bestimmen.
4. Schwellen, Hysterese, Mindestverweilzeiten und die betriebliche Reserve von zunächst 20 Prozent anhand der Messwerte festlegen.
5. Nachweisen, ob ein einminütiges Intervall bei hoher Reserve im Winter dauerhaft tragfähig ist; andernfalls das schnellste energetisch belastbare Intervall wählen.
6. In der Bedienoberfläche aktuellen Ladezustand, verwendetes Kontaktintervall, erwarteten nächsten Kontakt und den Grund einer energiesparenden Verlängerung sichtbar machen.
7. Betriebliche Abgrenzung zwischen dringlicher Information und einer sicherheitsgerichteten Alarmierung festlegen; bei geforderter garantierter Sofortreaktion ist ein separates Alarmierungsverfahren erforderlich.

H.4 Mobilfunkabdeckung und laufende Kosten

1. An jedem vorgesehenen Lautsprechermast LTE-M-/NB-IoT-Abdeckung mit dem vorgesehenen Walter-Modul und der vorgesehenen Antenne messen; Bergrücken, Bebauung, Vegetation und Montagehöhe dokumentieren.
2. Verfügbare Betreibernetze vergleichen und entscheiden, ob ein einheitlicher Anbieter, eine Roaming-/Multi-Netz-SIM oder eine standortbezogene Zuordnung die einfachste belastbare Lösung ergibt.
3. Bei schwacher Versorgung Antennenposition und geeignete Außenantenne prüfen, bevor weitere Systemkomponenten erwogen werden.
4. WLAN nur für Labor, Inbetriebnahme und ausdrücklich freigegebene Wartung betrachten; es gehört nicht zur regulären Verfügbarkeitsannahme.
5. LTE-Verhalten und Serverkapazität mit der tatsächlichen Zahl von 25 beziehungsweise 50 Mastboxen sowie gleichzeitigen Aufträgen nachweisen.
6. SIM-Grundgebühren, gemeinsames Datenkontingent, Roaming, mögliche Aktivierungsgebühren und Vertragslaufzeiten getrennt ausweisen.

Schlussfolgerung

Das Projekt ist mit überschaubarem Risiko umsetzbar, wenn die drei Stufen konsequent getrennt bleiben. Der Laborprototyp beantwortet zunächst die offenen Audio-, Funk-, Sicherheits-, Synchronisations- und Verbrauchsfragen. Der Feldprototyp enthält anschließend bereits alle kritischen Elemente des späteren Produkts: standortbezogen ausgelegtes Solar, einen frostladbaren LTO-Akku, niedrigen Ruhestrom, Wiedergabeüberwachung, sichere Fernverwaltung und freigegebene Mastmontage.

Eine belastbare Serienauslegung stützt sich nicht auf Annahmen, sondern auf Messwerte aus einem vollständigen Winter- und Sommertest. Der spätere Stückpreis wird anschließend getrennt aus der festgelegten Stückzahl, dem eingefrorenen Design und Lieferantenangeboten ermittelt.