Lora/Lorawan Technik

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network und bedeutet bzw. ermöglicht ein energieeffizientes Senden von Daten über lange Strecken. Dies wurde speziell für das Internet of things (IoT) und Industrial Internet of Things (IIoT) entwickelt. Mit LoRaWAN ist es möglich mehrere hundert Sensoren innerhalb eines Netzwerkes zu verwalten und Sensordaten zu verarbeiten. Sensoren können bis zu 10 Jahren ohne Batteriewechsel betrieben werden, was den Wartungsaufwand erheblich einschränkt.

Die Funktechnologie LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) hat großes Potenzial. Sie zeichnet sich durch große Reichweiten und eine einfache Umsetzung aus. Der Nutzen der Technologie liegt auf der Hand: Die LoRaWAN-Spezifikation ermöglicht ein energieeffizientes Senden von Daten über lange Strecken. In Stadtgebieten beträgt die Reichweite rund 2 km und in ländlichen Gebieten sogar bis zu 10 km. Zudem wird eine optimale Durchdringung von Gebäuden erreicht – dicke Wände stellen somit kein Hindernis für die Datenübertragung dar. Ein weiterer Vorteil: die Hardware und Wartungskosten fallen gering aus.

LoraWan ist ein freier -standart der in Europa auf dem 868Mhz Funk basiert. Somit kann er von jedem sei es Gewerblich oder Privat frei und ohne Lizenzkosten genutzt werden.

Ein LoRaWAN besteht zumindest aus drei Komponenten: einem Node (Sensor), einem Gateway und einem LoRa-Server. Das Gateway bildet hierbei die Schnittstelle zwischen der energieeffizienten LoRa-Funkübertragung und der leistungsstarken Anbindung zum Server.

Der Node sendet Daten mittels LoRa an alle Gateways in seiner Umgebung. Diese nehmen die Daten auf und geben sie an den Server weiter. Ab diesem Zeitpunkt können die Daten individuell weiterverarbeitet, visualisiert und/oder gespeichert werden.

Als Wegbereiter des Internets der Dinge schafft LoRaWAN vielfältige Mehrwerte. Als Baustein der Smart City kann es u.a. in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

  • Energiedatenmanagement
  • Luftqualitäts- und Bodenfeuchtigkeitsmessung
  • Meldung von Füllständen der Mülltonnen
  • Steuerung von Ampelschaltungen
  • Steuerung der Straßenbeleuchtung
  • Parkraummanagement
  • Ablesen von Zählerständen (Strom/Wasser/Gas)

    Anwendungsbeispiel: Vernetzung einer Industriehalle

Möchte man eine Industriehalle mit unterschiedlichen Sensoren vernetzen, könnte ein Szenario wie folgt aussehen:

Zuerst werden Sensoren (Nodes) plaziert, um die gewünschten Betriebsparameter zu erfassen. Dies könnten das Raumklima(Temperatur, Luftfeuchte, CO2 Belastung) in der Halle oder auch Maschinenparameter (Stromverbrauch, Stückzahl, etc.) sein.

Anwendungsbeispiel: Deutsche Bahn

Die Deutsche Bahn ist aktuell dabei Ihre Uhren an den Bahnsteigen und Röhren in den Unterführungen umzurüsten.
Die Uhren bekommen Sensoren über Ihre Funktion (nicht mehr bewegende Zeiger, Uhrbeleuchtung), Außenbeleuchtung (wie der Bahnsteig ausgeleuchtet ist), Vandalismus (defekte am Glas oder der Gehäuse), Pax Counter (Leute am Bahngleis) usw.
Diese Daten dienen der Bahn für Statistiken aber auch um Personal zu Reduzieren. Da die Bahnsteige selber melden wenn eine Uhr oder Beleuchtung defekt ist.

Anwendungsbeispiel: Stadt Böbblingen
Die Stadt Böblingen hat seit 1.2019 ein Projekt laufen die Stadt zu vernetzen.
Dies Betrifft unterirdische Mülleimer, Straßen Zustand und auch Parkverbotsensoren.
Bald soll auch dadurch Angezeigt werden wo freie Parkplätze sind.

Anwendungsbeispiel: Rettung
Lorawan kann aber auch nach Lawinen oder anderen Unglücken und /oder Naturkatastrophen eingesetzt werden. Durch seine gute Durchdringung können Verschüttete anhand von Funkpeilung aufgespürt werden.


Anwendungsbeispiel: Safecast

Nach den Reaktorhavarien von Fukushima war das Mißtrauen gegenüber den Meßwerten staatlicher Stellen groß. Und viele Informationen kamen einfach zu spät. Damals gründete sich das Citizen-Scientists-Netzwerk Safecast, das sich inzwischen einen Namen machen konnte als Quelle für zuverlässige Daten radioaktiver Strahlung.
Aufgrund fehlender, gestörter und nicht mehr funktionierender Infrastruktur zur Datenübertragung griff man auch da auf das LoraWan Netz zurück.
Kleine Kästen mit Geigerzählern und GPS wurden gebaut und von den Leuten mitgeführt.
Diese registrierten permanent die Strahlenbelastung und Sendeten sie per LoraWan an eine Sammelstelle welche diese auswertet.
Dieses Projekt ist mittlerweile Weltweit im Einsatz und kann von jedem nachgebaut und genutzt werden.

Anwendungsbeispiel: Vernetzung eines Objektes

Dieses Szenario reicht von Ferienwohnung/Haus über Wohnwagen bis hin zu Schuppen,Schränken und sonstigen Objekten:

Zuerst werden die Sensoren (Nodes) plaziert.

Diese können von verschiedener Art sein hier ein paar Beispiele:

  • – Tür/Fenster Sensoren die den offen/geschlossen zustand melden.
  • – Bewegungsmelder die eien Zutritt melden.
  • – Temperatur und Luftfeuchtigkeit um Schimmelbildung oder Auskühlen zu verhindern.
  • – Wassersensor um ein Leck in geplatzten Rohren oder eindringendes Wasser zu melden.
  • – Stromsensoren welche den Verbrauch und Leistung zum Beispiel von Batterien vom Motorrad/Boot im Winterschlaf melden.
  • – Feuchtigkeitssensor der meldet wann Pflanzen gegossen werden müssen.
  • – Höhenmesser Schneehöhe/Silos. Aber auch Wasserstände für Hochwasser.
  • – Mäuse Ungeziefer-falle welche Meldet wenn sie ausgelöst hat.
  • – Füllsensoren welche den Stand von Heizöl oder sonstigen Tanks/Behälter sowie von Zisternen oder sonstigen Meßständen periodisch übermittelt.
  • – Näherungssensoren die anhand eines Schlüssel/Halsbandanhängers signalisieren wenn sich eine Person Tier in der Nähe befindet.
  • – Schaltzustände welche zeigen wenn ein Gerät an oder ausgeschaltet wird.
  • – Reichweite/GPS Sensoren diese Senden ihren Standort aus GPS Daten wenn sie in der Reichweite eines Gateways sind. Für Tiere/Autos und sonstige Dinge.

PAX COUNTER dieser Sensor ist als Besucher/Gästezähler gedacht. In dem er die Signale von Handys (WLAN/Bluetooth) zählt. Da fast jeder ein Handy dabei hat und die wenigsten diese Sendeeinrichtungen abschalten.
Da er diese nur Zählt und nicht Speichert ist dies auch mit dem Datenschutzrecht konform.

Selbstverständlich können nicht nur Geräte/Objekte überwacht sondern auch gesteuert werden. Dies reicht von Heizung wenn man auf dem Heimweg ist, Licht ausschalten das man versehentlich angelassen hat über Tür/Tor Öffnung wenn sich ein Sender in der Nähe befindet.

Üblicherweise reicht die Reichweite eines LoRa-Gateways aus um alle Sensoren in der der Umgebung abzudecken. Dieses Gateway wird nun über LAN/WLAN oder LTE mit dem Internet verbunden und am LoRa-Server registriert.

Nun ist die Kommunikation zwischen Sensoren und Server hergestellt und die Sensordaten können weiterverarbeitet werden. Auf Basis dieser Daten können faktenbasierte Entscheidungen und Optimierungen vorgenommen werden. Bei Erreichen kritischer Werte kann ein Alarm ausgelöst werden.

Batterielaufzeiten von Sensoren in der Praxis

Viele Hersteller von LoRaWAN-Sensoren geben eine Batterielaufzeit von 10 Jahren an. Dies ist jedoch die maximale Laufzeit und ist sehr stark von folgenden Parametern abhängig:

  • Senderate/-intervall: Je häufiger ein Sensor Nachrichten übermittelt, desto mehr Energie wird verbraucht. Typische Sendeintervalle für einen LoRa-Sensor liegen bei 15 Minuten bis 24 Stunden. Manche Sensoren können ereignisbasierend in längeren, nicht festgelegten Intervallen senden, was der Laufzeit zu gute kommt. Beispielsweise kann ein Feuchtigkeitssensor so lange “schlafen” bis er Feuchtigkeit – und damit ein potenzielle Leck – registriert hat.
  • Empfangsstärke: LoRaWAN versucht automatisch die energiesparendsten Übertragungsparameter zu wählen. Jedoch benötigt der Nachrichtenversand eines weit vom Gateway entfernten Sensores wesentlich mehr Leistung als der eines nahe gelegenen. Dadurch ist die Leistungsaufnahme auch abhängig von der Entfernung bzw. von abschirmenden Hindernissen (z.B. Stahlbetonmauern) in der Funkverbindung.
  • Datenmenge: Da die Leistungsaufnahme über einen Zeitraum von mehreren Jahren betrachtet wird, wirkt sich auch der Umfang der übermittelten Daten auf die Batterielaufzeit aus. Die Schwankung kann je nach Datenmenge mehrere Millisekunden betragen, die zusätzlich für den Datenversand benötigt werden. Aufsummiert über einen Batterielebenszyklus beeinflussen auch diese geringen Veränderungen die Laufzeit erheblich.

Besondere kann ich die Erklärung von AEQ-Web dazu empfehlen.