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 ie 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
  • 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.

Allerdings ist LoRaWan denkbar ungeeignet für Telefonate, Realtime-Kommunikation, große Datenübertragungen oder aktive zeitkritische Steuerungsaufgaben.

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 Datagram auffängt und zu einem LoRaWAN Server weiter leitet. Da der Payload selbst verschlüsselt ist, kann die Datenübertragung selbst sogar unverschlüsselt erfolgen.

# 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.


Ca. 14€ https://de.aliexpress.com/item/SX1278-ESP32-LoRa-0-96-Inch-Blue-OLED-Display-Bluetooth-WIFI-Lora-Kit-32-Module-IOT/32825749403.html

Diese Geräte sind natürlich nicht auf Batterieeinsparung ausgelegt aber für erste Basteleien ein guter Einstieg.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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