LoRaWan
Das Verlegen von Kabel ist immer mühseliger als eine Funkübertragung. WLAN kommt aber nicht weit und braucht vor allem viel Energie. Andere Techniken sind hier gefordert, die mit minimalem Energiebedarf über weite Entfernungen Daten verschlüsselt senden und empfangen können. Genau das will LoRaWan ermöglichen.
Was unterscheidet LoRaWan von anderen?
LoRaWan nutzt in Europa das bekannte "freie" 868MHz-Band (SRD-Band - Short Range Device) um Daten zu senden und zu empfangen. In diesem Band dürfen auch alle senden und empfangen, wenn Sie sich denn an die Regel halten, nicht mehr als 0,1% der Zeit zu senden.
WLAN ist dahingegen für deutlich mehr Datenmengen und Bandbreite ausgelegt wobei sich aber die Reichweite mit Rundstrahlantennen sich auf die Wohnung und nähere Umgebung beschränkt. Übertragungen per GSM/LTE/5G hingegen können auch einige Kilometer schaffen, aber der Energieverbrauch ist höher und das Endgerät braucht eine SIM-Karte, womit Kosten verbunden sind. Bluetooth nutze das 2,4GHz-Band mit kann wenig Strom benötigen aber die Reichweite ist eher im Bereich von Metern. Und dann gibt es natürlich auch schon sehr viele andere Funk-Geräte, z.B. drahtlose Türklingeln, Außenthermometer, Funkschalter, Fernsteuerungen, LPD-Handfunkgeräte usw., die einen proprietären Ansatz haben.
Der große Vorteil von LoRaWan ist:
- Niedrigster Energieverbrauch
Sie können Geräte bauen, die quasi nie aktiv sind und nur bei Daten senden, wenn diese anliegen. In dem Zug kann das Gerät auch Zeitfenster angeben, wann es Rückmeldungen annehmen kann. Die Gegenseite sendet die Antwort entsprechend dann, wenn das Gerät auch gerade den Empfänger eingeschaltet ist. Natürlich gibt es auch Geräte, die zu bestimmten Zeitschlitzen oder permanent empfangsbereit sind. - Hohe Reichweite, auch in Gebäuden
Durch die Nutzung von 868MHz und niedrige Datenraten könnten in Grenzen auch Mauern, Decken durchdrungen und sogar Keller für Sensoren genutzt werden. Bei einer dichten Bebauung sind 2km möglich und auf dem Land sind sogar 10km und mehr möglich. Es gibt sogar Berichte von sporadischen Erfolgen über 800km und mehr von einem Stratosphären-Ballon und Empfängern auf Sendemasken auf einem Berg. - Kostenfrei
Sie brauchen also keine SIM-Karte oder einen Vertrag abzuschießen und die Sensoren sind deutlich kleiner.
Allerdings kostet die Reichweite natürlich Bandbreite. WLAN kann viel mehr Daten übertragen aber nur im Nahbereich von mehreren Metern. Mobilfunk kann durch passende (kostenpflichtige) Frequenzbänder über mittlere Entfernungen auch viele Daten übertragen. NFC und RFID arbeiten im Nahbereich mit wenig Daten. LoRa aber kann größere Entfernungen übertragen aber muss ich bei der Datenmenge auch beschränken.
Damit ist diese Technik natürlich prädestiniert für die Meldung von Daten, die keine große Datenmengen übertragen. Da gibt es sehr viele kommerzielle Anwendungen, z.B.:
- Zählerstände
z.B. die Energiewirtschaft oder auch Wasserwerke könnten die Zähler aus der Ferne erfassen ohne dass Sie ihrem "WLAN/DSL-Anschluss" nutzen oder andere IPoverX-Techniken nutzen müssen. - Temperatur, Füllstand
Denken Sie an Tanks, Löschwasserteiche, Mülltonnen, Straßentemperaturen, Parksensoren - Positionierung
Es gibt wohl schon Sensoren, die per GPS Positionen erkennen und bei Bewegung aktiviert werden um so den Status zu melden.
Hinter der Funktechnik steht die Firma "Semtech". Ähnliche Ansätze verfolgen System auf Basis von Produkten der Firmen SigFox oder NWAVE.
- 2019 - LoRaWAN für Maker
https://www.youtube.com/watch?v=Jkq-B4leIpo - LoRa Alliance - What is LoRaWAN
https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_ed71ea1cd969417493c74e4a13c55685.pdf - LoRaWAN ™ 101 - A Technical Introduction
https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_20fe760334f84a9788c5b11820281bd0.pdf
Allerdings ist LoRaWan denkbar ungeeignet für Telefonate, Realtime-Kommunikation, große Datenübertragungen oder aktive zeitkritische Steuerungsaufgaben.
- Limitations of LoRaWAN
https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/limitations.html
Lora und ähnliche Funktechniken IoT-Konnektivit
https://arduino-hannover.de/wp-content/uploads/Lora-Funktechniken-v6.pdf
Systemumgebung
Die Sender bzw. Sensoren können jederzeit eine Information per LoRa-Funk absetzen aber damit stellt sich die Frage der Gegenstelle. Das Internet spricht "IP" aber auf einem LoRa-Sender wird man kaum einen IP-Stack samt Adressierung, DNS etc. unterbringen. Daher besteht die Konstruktion aus mehreren Komponenten:
- Sensor
Er erfasst Daten und sendet diese einfach "Los". Es gibt keine Zuordnung zu einem Empfänger, d.h. die Information kann auch von mehreren Empfängern gehört werden. Jeder Sensor hat eine 64bit lange vom Chip-Hersteller eingebrachte eindeutige Kennung. - Gateway
Diese Systeme empfangen die Rundsendungen von allen LoRaWan-Systemen, die sie hören können. Die Aussendung eines Sensors kann bei mehreren Gateways empfangen werden. Jedes Gateway übernimmt das "Array of Bytes" und nutzt dann IP, um es zu einem Server zu leiten. Ein Gateway kann mehrere tausend Geräte im Umkreis von ca. 10km weiterverarbeiten.
Gateways gibt es zwischen 150€ (RasPi) und 1500€ je nach Ausführung (Gehäuseform, Antenne). Technisch kann jeder interessierte Bürger ein Gateway aufstellen. - Server
Die Gateways setzen nur LoRa auf IP um aber der konfigurierte Server sammelt die Daten und stellt sie für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung. Eine Aussendung kann über mehrere Gateways natürlich mehrfach ankommen. Der Server sollte also eine Deduplizierung vornehmen.
Wenn ihr Gerät sich "bewegt", ist es natürlich erforderlich, dass die verschiedenen Gateways alle an den gleichen Server berichten. Sie können ihren eigenen "privaten Server" betreiben aber sie können nicht verhindern, dass ein anderes Gateway auch die Daten ihres Sensors liest und an seine Server sendet. Allerdings sind die Daten ja verschlüsselt. - Applikation
Was Sie mit den Daten machen, steuern Sie über eine entsprechende Applikation, die auch wieder irgendwo läuft und ihren Server abfragt.
Viele Komponenten kommen mir hier natürlich von anderen Konzepten bekannt vor. Der LoRaWan-Server könnte man mit einem MQTT Server gleich setzen und die App ist dann ein MQTT Subscriber, während das Gateway ein MQTT-Sensor ist, der den Payload per 868MHz bekommt und einfach weiter reicht. Aber der große Unterschied zu anderen Konzepten ist dass der Sensor sich nicht zu einem Server verbindet, sondern seine Daten einfach "sendet" und drauf vertraut, dass ein Gateway das Datagramm auffängt und zu einem LoRaWAN Server weiter leitet. Da der Payload selbst verschlüsselt ist, kann die Datenübertragung selbst sogar unverschlüsselt erfolgen.
- Background information about LoRaWAN
LoRaWAN Overview
https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/ - ABP for beginners. How-to get
DeviceAddress, Network Session Key (NSK) and
Application Session Key (ASK)
https://www.thethingsnetwork.org/community/berlin/post/abp-for-beginners-how-to-get-deviceaddress-network-session-key-nsk-and-application-session-key-ask
# 112 LoRa / LoRaWAN entmystifiziert / Anleitung
https://www.youtube.com/watch?v=hMOwbNUpDQA
LoRaWan-Sender
Einen LoRaWan-Sender bekommen Sie heute für sehr wenig Geld. Wer sich etwas umschaut, findest sogar komplette Boards, die auf dem ESP32 basieren und damit nebenbei noch WLAN und BluetoothLE samt Display haben, z.B.
Diese Geräte sind natürlich nicht auf Batterieeinsparung ausgelegt aber für erste Basteleien ein guter Einstieg.
Interessant ist auch das LoRa Modul für die M5Stack-Geräte
- LoRa Module( 868MHz )
https://m5stack.com/collections/all/products/lora-module-868mhz - ECO Power board
https://www.radioshuttle.de/product/eco-power-board/
LoRa peer-to-peer radio communication (200 m – 20 km), optimized for battery operation up to 5 years. Includes turnkey RadioShuttle software. - WIFI LoRa 32 V2 SX1276 868MHz mit OLED
https://www.bastelgarage.ch/wifi-lora-32-v2-sx1276-868mhz-mit-oled - WHITECAT ESP32 N1 BOARD
https://whitecatboard.org/whitecat-esp32-n1-board/
Wer etwas im Internet sucht, findet sehr schnell schon fertige Sender, die mit LoRaWan ihre Daten senden und nur darauf warten, das ein Gateway in der Nähe die Daten zu einem Server weiter leitet. Hier eine Auswahl von Links, die natürlich nie vollständig ist.
- Auswahl von Sensoren mit LoRaWan
https://www.thethingsnetwork.org/marketplace/products/devices - Wifi & BLE driven passenger flow
metering with cheap ESP32 boards
https://GitHub.com/cyberman54/ESP32-Paxcounter
https://www.heise.de/select/make/2019/1/1551099236518668 ($) - KLAX - Liest D0-Signale vom Stromzähler
und sendet Sie per LoRa
https://iot-shop.de/produkt/klax - Holley LoRaWAN Drehstromzähler (45€)
https://iot-shop.de/produkt/holley-lorawan-drehstromzaehler
Kompletter 3+1 Leitungs-Zwischenzähler mit LoRa-Modul (max. 5A/Phase) - KLAX - Smartmeter Zähler (149€)
https://iot-shop.de/produkt/klax
Per Magnet liest es das SML 1.04 Protokoll und sendet per LoRa die Daten - LoRaWAN P2P Verbindung Transceiver
Receiver einrichten
https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/LoRaWAN_P2P_Verbindung_Transceiver_Receiver_einrichten
Es gibt noch sehr viel mehr Geräte.
LoRaWan Gateway
Die Gateways stehen im Feld und empfangen die Datagramme. Idealweise unterstützen Sie mehrere Kanäle gleichzeitig und unterschiedliche Spread-Faktoren (SF). Idealerweise sind Sie im Freien mit guten Antennen platziert, so dass sie möglichst einfach erreichbar sind. Blitzschutz und Wetterschutz sind zusätzliche Herausforderungen. Dennoch gibt es neben kommerziellen Lösungen auch SelbstbauGateway. Einige davon auch allein für den Innenraum. Das kann durchaus legitim sein, wenn Sie mit LoRa erst mal experimentieren wollen oder eine geringe Reichzweite ausreicht, z.B.
-
https://ttnmapper.org/
Landkarte aktiver Gateways. - The Things Indoor Gateway (ca. 69US$)
https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/thethingsindoor/
https://iot-shop.de/produkt/the-things-indoor-gateway (79€)
Wenn in ihrer Umgebung aber schon jemand ein LoRa Gateway betreibt und die empfangenen Datagramme an einen öffentlichen Server zustellt, dann können Sie sich den Eigenbetrieb sogar sparen.
- Extend The Things Network by installing
a Gateway
https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/ - Semtech UDP Packet Forwarder
https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/packet-forwarder/semtech-udp.html - Build your own gateway
https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/start/build.html - iC880A - LoRaWAN® Concentrator 868MHz
https://wireless-solutions.de/products/radiomodules/ic880a.html
Ein wohl sehr gerne genutztes Radio-Modul, ca. 120€ (Apr 2019) - LoRa Gateway bauen für München West im
Münchner Maker Lab e.V.
https://blog.unixweb.de/lora-gateway-bauen-fuer-muenchen-west-im-muenchner-maker-lab-e-v/ - Selbstbau LoRa Gateway
https://www.aeq-web.com/selbstbau-https-lora-gateway-fur-iot-mit-esp32-lora-board/ - WiFi LoRa 32 (V2)
https://heltec.org/project/wifi-lora-32/ - MakerHawk ESP32 LoRa Modul SX1276 868
915 MHz WiFi Modul IoT Karte Dual Core 240
MHz CP2102 Geringer Stromverbrauch mit 0,96
Zoll OLED Display und Antenne für Arduino
25€
https://www.amazon.de/MakerHawk-Entwicklungsbrett-Bluetooth-Doppelkern-0-96inch/dp/B076T28KWG/ - LoRa single channel gateway
https://stefan.schultheis.at/2017/lora-single-channel-gateway/ - Making a 1-3 channel LoRa - Gateway with
an ESP32 from TTGO
https://www.thethingsnetwork.org/community/berlin/post/making-a-1-channel-lora-gateway-with-esp32-from-ttgo - LoRaWAN-Gateway für draußen günstig
selberbauen
https://www.heise.de/make/meldung/LoRaWAN-Gateway-fuer-draussen-guenstig-selberbauen-4449948.html - Tutorials for workshop at TTN conference
: Building your LoRaWAN Network the right
way. A practical guide to Network planning
https://forum.rakwireless.com/t/tutorials-for-workshop-at-ttn-conference-building-your-lorawan-network-the-right-way-a-practical-guide-to-network-planning/1412
LoRaWan Server
Der Betrieb eines eigenen LoRaWan-Servers macht nur Sinn, wenn Sie auch eigene Gateways betreiben, die diesen Server nutzen. Ansonsten kommen da ja keine Daten an. Denken Sie aber daran, dass ihre Gateways alle Datagramme in der Luft hören und dann an ihren Server senden.
- LoRa Server, open-source LoRaWAN
network-server
https://www.loraserver.io/ - Lora Bridge
https://www.loraserver.io/lora-gateway-bridge/overview/
https://www.loraserver.io/lora-gateway-bridge/overview/downloads/
Nimmt Pakete von Gateways per 1700/UDP an und leitet diese an MQTT-Server weiter.
LoRaWan-Scanner
Auch wenn man kein LoRaWan selbst nutze, so senden die Sensoren ihre Daten ja nicht gerichtet. Insofern kann nun jeder ein LoRaWan-Gateway aufstellen und Meldungen sammelt. Reinschauen kann man nicht, wenn die Sensoren wirklich die Payload verschlüsseln und auch die Netzwerkverbindung verschlüsselt ist. Aber zählen geht schon.
Aktuell habe ich noch kein LoRaWan-Gateway installiert. Sobald ich ich aber mal meinen LoRaWan-Sensor auch im Umkreis von Hövelhof in betrieb nehmen will und noch niemand anderes ein Gateway aufgebaut hat, werde ich das mal angehen.
- TTNMapper
https://twitter.com/hashtag/TTNMapper
Modul ermittelt eigeen Standort und sichtbare Gateways - Traffic through TTN-Gateways
https://ttngw.rexfue.de/paderborn - The Things Network Paderborn
https://www.thethingsnetwork.org/community/paderborn/
https://www.meetup.com/de-DE/The-Things-Network-Paderborn-TTN-Paderborn/ - TheThingsNetwork Paderborn @ttn_paderborn
https://twitter.com/ttn_paderborn?lang=de - Digitale Stadt Paderborn – Wir sind mit
IoT, LoRaWAN und Freifunk vorne mit dabei!
https://www.vegasystems.de/blog/digitale-stadt-paderborn/
LoRaWan und Azure
Microsoft stellt in Azure ja auch einige IoT-Dienste bereit. Bislang habe ich aber noch nicht gesehen, dass es eine vorgefertigte VM oder Docker-Instanz als LoRaWan-Server gibt. Aber sie können natürlich die bekannten Dienste auch einfach selbst aufsetzen.
- The Things Network and Azure IoT connect
LoRaWAN devices
https://azure.microsoft.com/en-us/blog/the-things-network-and-azure-iot-connect-lorawan-devices/ - Azure IoT Central Device Bridge
https://GitHub.com/Azure/iotc-device-bridge
Verbindet Daten aus Sigfox aber auch TTN mit Azure IoT Central - iotedge-lorawan-starterkit
https://GitHub.com/Azure/iotedge-lorawan-starterkit
Soll Daten von LoRa-Gateways annehmen und in Azure Iot Edge-Server einspeisen
GSM statt LoRaWan?
Der größte Vorteil von LoRa ist die kostenfreie Funkübertragung. Aber natürlich muss ein LoRa-Gateway die Sendungen auch empfangen und an den LoRa-Server übertragen. Eine Alternative ist natürlich weiter das GSM-Netzwerk. Allerdings brauchen Sie dazu natürlich eine andere Funk-Technik und eine SIM-Karte. Ohne Vertrag geht das nicht aber es gibt durchaus ein paar Angebote für IoT-Projekte, die wenige Datenmenge enthalten aber auch günstig sind. Hier ein paar Links:
- Telekom IoT Produkte
https://iot.telekom.com/iot-de/konnektivitaet/business-smart-connect/lpwa-tarifdetails - Vodafone Narrowband Lösungen
https://www.vodafone.de/business/loesungen/narrowband-iot.html - Netzclub - Werbefinanzierte SIM-Karte
https://www.netzclub.net/
0€ aber 30 Werbe-SMS/Monat für 200MB/Monat
LoRaWan in Feld
Meine Übersicht hier hier sicher nicht repräsentativ aber ich sammle hier Links zum Einsatz von LoRaWan. Die Frage ist dabei natürlich immer, ob die installierten Gateways ihre Daten in TTN oder einer anderen offenen Plattform einspeisen oder in ein geschlossenes System melden. Entsprechend kann es durchaus ein, dass eine Stadt zwar per LoRaWan-Gateways auch die Funk-Datagramme der eigenen Sensoren empfängt aber Sie nichts davon haben.
- Stadt Delbrück
http://www.stadt-delbrueck.de/buergerservice/nachrichten_buergerservice-1/116090100000015650.php
https://www.regioit.de/aktuelles/regio-it-nachrichten/2019/delbrueck-auf-dem-weg-zur-intelligenten-stadt/
https://www.stadt-delbrueck.de/de/rathaus-online/delbrueck-digital/projekte.php#anchor_1c653670_Accordion-LoRaWAN
https://www.stadt-delbrueck.de/de/rathaus-online/delbrueck-digital/projekte.php#anchor_067271bf_Accordion-LoRaWAN-2-0
https://digitale-heimat-pb.de/projekte/lorawan/
Nutzen anscheinend als Backend die Plattform e2watch. - Mit LoRaWAN ist die digitale Vernetzung
der Städte in vollem Gange
https://digitale-heimat-pb.de/mit-lorawan-ist-die-digitale-vernetzung-der-staedte-in-vollem-gange/ - LoRaWAN Roundtable | Open Innovation
City Bielefeld
https://www.youtube.com/watch?v=ilvJhJZKU-4&ab_channel=OpenInnovationCityBielefeld
Bielefeld platziert 42 Cisco Gateways um die Stadt inklusive Innenbereiche abdecken zu können. - E2Watch
http://stadt-aachen.e2watch.de/
http://www.klima-log.de/projekt.asp?InfoID=10621 - KIK-S / regio iT: In Kooperation zum
LoRaWAN
https://www.kommune21.de/meldung_31970_In+Kooperation+zum+LoRaWAN+.html - Phoenix Contact Geräte
Geräte für die öffentliche Straßenbeleuchtung
Funkmodul - LPWAN LCU UNI NC1REL EU - 1173455 https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=1173455&library=dede
LoRaWAN-Gateway - LPWAN GATEWAY ETH/4G EU KIT https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de/?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=1173484
Funkmodul - LPWAN LCU ZHAGA18 DALI/DIO EU https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de/?uri=pxc-oc-itemdetail:pid=1173482
Einsatz bei der MSXFAQ
Es gibt eigentlich keinen direkten Einsatzzweck von LoRa/LoRaWan mit den primären Themen der MSXFAQ, also Windows, Exchange, Skype, Teams, Office 365. Wobei das so allein nicht stimmt. Die Applikationen zur Verarbeitung von Daten könnten in Azure laufen und natürlich gibt es auch Sensoren, die Daten z.B. an Skype oder Teams melden könnten. 2Allerdings ist gerade das Beispiel "Statuslampe steuern" mit LoRaWan eher nicht sinnvoll. Als Class-C Device könnte die Anzeige schon 100% empfangsbereit sein aber hierfür sind Nachfunktechniken wie Bluetooth oder auch WLAN besser geeignet.
Weitere Links
- MQTT
- Azure IoT
- IoT - Internet of Things
- Das Einmaleins des LoRaWAN: Ein
Überblick über eine der interessantesten
IoT-Technologien auf dem Markt!
https://de.farnell.com/das-einmaleins-des-lorawan - The Tings Networks
https://www.thethingsnetwork.org/ - https://lora-alliance.org/
- https://www.lora-wan.de/
- https://www.thethingsnetwork.org/marketplace/product/integration-with-azure-iot
-
RAKWireless Twitter
https://twitter.com/RAKwireless
Hersteller verschiedener Komponenten und Gateway - Long Range Wide Area Network
https://de.wikipedia.org/wiki/Long_Range_Wide_Area_Network - SRD-Band - Short Range Device
https://de.wikipedia.org/wiki/Short_Range_Device - ISM-Band
https://de.wikipedia.org/wiki/ISM-Band - Limitations of LoRaWAN
https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/limitations.html - Sigfox, LoRA, MIOTY und NB IoT (LTE-M)
im Vergleich
https://www.ip-insider.de/sigfox-lora-mioty-und-nb-iot-lte-m-im-vergleich-a-814797/ - Driver/HAL to build a gateway using a
concentrator board based on Semtech SX1301
multi-channel modem and SX1257/SX1255 RF
transceivers.
https://GitHub.com/Lora-net/lora_gateway
https://wireless-solutions.de/products/radiomodules/ic880a.html - 0G-Netz LoRaWAN: Sensordaten über große
Distanzen verschicken
https://www.heise.de/newsticker/meldung/0G-Netz-LoRaWAN-Sensordaten-ueber-grosse-Distanzen-verschicken-4415701.html - Stratosphärenballons bringen Rekorde bei
LoRaWAN-Übertragungen
https://www.heise.de/make/meldung/Stratosphaerenballons-bringen-Rekorde-bei-LoRaWAN-Uebertragungen-4482729.html - LoRaWAN-Gateway für draußen günstig
selberbauen
https://www.heise.de/make/meldung/LoRaWAN-Gateway-fuer-draussen-guenstig-selberbauen-4449948.html - LoRa Chat - ESP32 mit OLED auf 433 MHz
https://www.az-delivery.de/blogs/azdelivery-blog-fur-arduino-und-raspberry-pi/lora-chat - LoRa World Record Broken: 832km/517mi
using 25mW
https://www.thethingsnetwork.org/article/lorawan-world-record-broken-twice-in-single-experiment-1 - LoRaWAN P2P Verbindung Transceiver
Receiver einrichten
https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/LoRaWAN_P2P_Verbindung_Transceiver_Receiver_einrichten