LoRa™ und LoRaWAN®

IOT-Netzwerk für Jedermann

Das Thema „Internet der Dinge“ IOT beflügelt aktuell Medien, Industrie und Enthusiasten gleichermaßen.
Dabei sind vernetzte Maschinen im industriellen Umfeld bereits seit langem Standard, man denke nur an CAN, Modbus, Ethernet/IP oder Profibus.

Diese (Feldbus)-Netzwerke waren bislang, auch mit Blick auf Sicherheitsaspekte, zumeist lokal und verfügten nur über schmale Schnittstellen zur Außenwelt, die regelmässig aus dem Intranet des Unternehmens bestand.
Erklärtes Ziel von IOT-Geräten ist es hingegen, dass jedes einzelne Gerät seine Daten über das Internet austauschen kann und damit jede Ortsabhängigkeit aufgehoben wird. Agesehen von enormen Anstrengungen zur Wahrung der Datensicherheit ist es dazu erforderlich, dass am Standort der Geräte schlichtweg ein Internetzugang bereitsteht.

LORA32 Modul

Verkabelungen sind grundsätzlich kostenintensiv, weshalb Funkverbindungen präferiert werden.

Hier bietet sich das bestehende Mobilfunknetz an, wenn es denn verfügbar ist. Gerade in Gebäuden ist dieser Empfang jedoch bekanntermaßen heikel. 

Seit einigen Jahren gibt es Bestrebungen, unabhängige Netze im lizenzfreien ISM-Band (in Europa 433 und 868 Mhz) aufzubauen.
Ziel ist die zuverlässige und sichere Übertragung kleiner Datenmengen an einen Router (im LoRa-Jargon Gateway genannt), der diese Informationen verarbeiten und weiterleiten kann.

Zumindestens in Europa hat sich der Semtech LoRaWAN® Standard am weitesten durchgesetzt.

Das Konzept

Das Long Range Wide Area Network, kurz LoRaWAN® arbeitet mit Geräten (Nodes), die die Daten liefern und ggf. auch angesteuert werden und Gateways , die für die Weiterleitung dieser Daten ins Internet verantwortlich zeichnen.
Hierbei fungieren die Gateways für alle in Funkreichweite befindlichen Nodes als Zugangspunkt, ganz gleich, welche Anwendung sie logisch gesehen realisieren.
Mehr noch, die Datenkommunikation wird zwischen dem Device und der Anwendung, die die Daten letztlich aufbereitet verschlüsselt. Somit kennt ein Gateway zwar die Metadaten eines Devices, nicht jedoch die Semantik der Informationen selbst.
Jeder kann nach einmaliger kostenloser Registrierung, ein Gateway betreiben. Eine klassische Providerstruktur im herkömmlichen Sinne existiert nicht.

Nachteilig muss sicherlich erwähnt werden, dass das ISM-Band keinen Nutzungsbeschränkungen unterliegt und so ein Quality of Service nicht garantiert werden kann. Viele Gateways werden von Enthusiasten kostenfrei, nicht kommerziell betrieben.
Um diese Problematik zu entschärfen wird man im gewerblichen Umfeld daher auf ein eigenes LoRaWAN®-Gateway zurückgreifen.
Generell eignet sich das Semtech LoRaWAN®-System zum Übertragen sehr kleiner Datenmengen sprich Sensor- und Steuerdaten. Das Netz ist darauf ausgelegt, eine möglichst sichere Übertragung über möglichst lange Distanzen auf Kosten der Nutzdatenbandbreite zu erzielen.
Erreicht wird dies zum Einen auf der Ebene der Funktechnik (Chirp Spread Spectrum), zum anderen aber auch durch das Netzprotokoll selbst, welches vergleichsweise harte Restriktionen bezüglich der Bandbreitennutzung definiert.

Nutzung im industriellen Umfeld

Es gibt zahllose Situationen, in denen eine Verkabelung von Geräten nicht in Betracht kommt und die Abdeckung eines großen Areals mit WLAN oder Mobilfunk wenig praktikabel ist. Beispiele hierfür sind:

  • Landwirtschaftliche Flächen
  • Große Industriegelände
  • Lokal operierende Fahrzeuge in Mobilfunklöchern
  • Gebäude
  • Binnengewässer

In solchen Bereichen lassen sich relativ günstig ein oder mehrere LoRa™-Gateways installieren und mit dem Internet verbinden. Für die Weiterverarbeitung der Daten kann dann auf eine bestehende Infrastruktur, z.b. von The Things Network zurückgegriffen werden. Enormer Vorteil einer solchen Lösung sind die geringen Kosten und die Möglichkeit, die Funkabdeckung und die Anzahl von Geräten nahezu beliebig zu skalieren.
Während Gateways allen Teilnehmern zur Verfügung stehen, sind die Nutzdaten nach aktuellem Stand der Technik vor unberechtigtem Zugriff geschützt, sofern die Implementierungen selbst keinen fehlerhaften Code bzw. unsichere Hardware enthalten.

Nodes und Gateways

Grundsätzlich wird beim Hardwaredesign zwischen Nodes und Gateways unterschieden. Während Nodes mit einem Kanal standardkonform arbeiten können, benötigt ein Gateway einen Transceiver, der 8 Kanäle gleichzeitig verarbeitet.

Experimente, ein Minimalgateway mit Bausteinen zu kreieren, welche nur einen Kanal handhaben können, sind allenfalls als Laborversuch zu gebrauchen und sollten für ernsthafte Anwendungen nicht in Erwägung gezogen werden.

Semtech

Das LoRa™ Modulationsverfahren stellte eine proprietäre Lösung dar, es kommen aktuell eigentlich nur Chips des Herstellers Semtech in Frage.
Für Nodes werden zumindest im Niedrigpreissegment zumeist Semtech SX1276/78 ICs eingesetzt. Da die analoge Beschaltung auf der RF-Seite nicht ganz trivial ist, greift man am besten auf fertige Module zurück, die bereits die Abstimmelektronik und weitere notwendige Komponenten enthalten.
Ein Beispiel hierfür ist das HopeRF RFM95w, welches in Einzelstückzahlen bereits für wenige Euro erhältlich ist.
Es gilt allerdings zu beachten, dass diese preiswerten Module oft nicht bis ins letzte Detail abgestimmt sind. Dies wirkt sich spürbar auf die zu erwartende Funkreichweite aus, ebenso wie die verwendete Antenne. Im Netz kursierende Angaben über Maximalreichweiten von mehreren 10 km sind mit größter Vorsicht zu genießen und halten oft einer Verifikation nicht stand.

LoRaWAN® Stacks

Für die Entwicklung von Nodes existieren darüber hinaus auch Lösungen, die neben einem Funkmodul auch gleich eine Implementierung eines LoRaWAN® Stacks enthalten, z.B. den Murata CMWX1ZZABZ .
Im Falle eines reinen Funkmoduls wird ein Mikrocontroller benötigt, der zum einen die Funktionalität des Nodes selbst (z.B. Sensor) realisiert und zum Anderen den LoRa® Stack implementiert. Hier existieren diverse quelloffene Lösungen beispielsweise. für das Arduino Ecosystem unter einer MIT Lizenz oder im Kontext eines STM32 für CubeMX.

ESP32

Verfügbar sind entsprechende Bibliotheken ebenfalls für den ESP32-Chip als integrierbare Komponente.
Der ESP32 eignet sich für den Einsatz als Node besonders, da er weitreichende Lowpower-Funktionen bietet und auch über WLAN, Bluetooth und Ethernetschnittstellen verfügt, um die Daten an einen LoRaWAN® Server weiterzuleiten.

Wie kann telos Ihnen helfen?

Während es für Semtech LoRaWAN® Gateways beinahe fertig konfigurierte Lösungen am Markt gibt, erfordert die Entwicklung von Nodes (Endgeräten) ein individuelleres Vorgehen. Solche Nodes haben in aller Regel völlig andere Aufgaben als die Funkübertragung und so muss der Protokollstapel ebenso wie die Funkhardware in bestehende Gerätekonzepte integriert werden.

  • telos verfügt über weitreichende Erfahrung in Konzeption und Realisierung entsprechender Systeme
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