1. Einführung

Ob zu Hause, im Büro, der Werkstatt, einer Fabrik oder in der freien Natur, überall finden wir Sensoren, die für uns Daten erfassen oder wir würden gerne Daten erfassen.

Sei es:

• Temperatur (Luft, Boden, Wasser, Mauerwerk, …)
• Status (ein, aus, offen, geschlossen, …)
• Position (links, mitte, rechts, …)
• Wind (Stärke, Richtung, …)
• Wasser (Wasserstand, Fließgeschwindigkeit, Druck, …)
• Feuchte (Luft, Boden, …)
• Stromfluß (Anlagenbetrieb ein-aus, Stromverbrauch, ….)
• Bienenstock-Überwachung (Stockgewicht, Stocktemperatur, Luftfeuchte im Stock, …)
• Vieh-Herdenüberwachung (GPS, …)
• Bewegungserkennung (Personen, Fahrradfahrer, KFZ …)
• Belegungserkennung (Parkplätze, …)
• Licht (Stärke, UV-Anteil, …)
• Füllstände (Flüssigkeitsbehälter, Abfallbehälter, …)

Es gibt unzählige Möglichkeiten. Dies ist nur eine kleine Auflistung zur Einführung.

Man kann die Sensoren in zwei Gruppen einteilen:

• Sensoren, die ihre Daten kontinuierlich generieren und weitergeben müssen
• Sensoren, die ihre Daten nur bei einer Zustandsänderung oder nach einem bestimmten Zeitintervall weitergeben

Für erstere Gruppe benötigt man entsprechende Übertragungskapazitäten (Mobilfunk, Ethernetanbindung, etc.). Das fordert entsprechende umfangreiche Stromversorgungen. Man denke nur, wie kurz ein Smartphone in Betrieb bleiben kann. Mit dieser Gruppe von Sensoren befassen wir uns nicht.

Die zweite Gruppe ist aber nicht minder interessant und viel genutzt. Aber auch für die Weitergabe dieser Daten wird eine entsprechende Infrastruktur benötigt, auch wenn die Datenraten erheblich geringer sind.

Aber wer legt schon gerne km-lange und viele Leitungen?

Und wie erhalte ich Umweltdaten vom freien Feld oder aus dem Wald, wenn ich nicht große Solarpanele und teure Mobilfunkanbindungen installieren möchte? Sofern ein Mobilfunknetz überhaupt vorhanden ist.

Da bräuchte es eine weit reichende und sehr energiesparende Transportmethode über Funk. Am besten mit einer kleinen Batterie, die dazu noch jahrelang ausreicht.

Das gibt es - die Lösung heißt:

LoRa - ein - long range - Sendeverfahren mit niedrigster Sendeleistung

Und wenn man das ganze dann vernetzt, erhält man ein:

LoRaWAN - ein Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk

Da sich die Feinheiten bei einer Internetrecherche leicht nachlesen lassen, als Kurzeinführung zu dieser Funktechnik einige grobe Stichpunkte. Etwas mehr technische Details gibt es auch noch hier.

Das LoRa Protokoll wurde von der Firma Semtech entwickelt. Ziel war es, mit sehr kleiner Sendeleistung (typisch 25 mW) Daten über große Entfernungen störungsfrei zu übertragen. Das ganze dazu noch verschlüsselt. Dazu boten sich Sendefrequenzen an, die einerseits solch eine Übertragung ermöglichen, anderseits sogar lizensfrei zu nutzen waren. In Europe wird lizenzfrei auf 868 MHz (863 Mhz - 870 Mhz) gesendet, in Nordamerika auf 916 MHz (902 Mhz - 928 Mhz), in Asien 433 MHz.

In unserem Projekt benötigen wir also immer Sende- Empfangschips für 868 MHz!

Die Sensoren (nodes genannt) senden ihre Daten in alle Richtungen. Ein oder auch mehrere Empfänger in Reichweite (concentrator oder gateways) empfangen diese und leiten an einen Server (Cloud). Da alle Sensoren eindeutig indentifizierbar sind, können Anwender nur auf Daten derjenigen Sensoren zugreifen, die sie in der Cloud selbst angemeldet haben. Bei der Anmeldung erhält jeder Sensor eine eindeutige und einmalige Adresse, die einprogrammiert werden muss. Daher ist ein Zugriff auf Fremdsensoren nicht möglich.

Die Daten, die nun in der Cloud liegen, kann man dann in entsprechenden Anwendungen auslesen und nach eigenen Wünschen aufarbeiten.

Zur Förderung und Unterstützung von LoRa hat sich die LoRa Alliance gegründet. Auch treten diversen Telekomanbieter auf und bieten ihre Dienste an - gegen einen entsprechenden Obulus.

Doch es gibt auch eine freie und kostenlose Alternative - und das Weltweit - The Things Network.

Dort kann man sich ein Benutzerkonto einrichten seine Gateways registrieren, sofern man eines oder auch mehrere für die Gemeinschaft betreiben und bereitstellen möchte und - ganz wichtig - seine eigenen Sensoren registrieren.

Die Gateways empfangen sämtliche aus dem Umfeld eingehenden Sensordaten, egal wem der Sensor gehört. Sie leiten dann die Daten neutral in die Cloud (z.B. bei TTN - The Things Network). Das ist der Gemeinschaftsgedanke dahinter. Der Aufbau des Netzwerks, sowie die einzelnen Verarbeitungsschritte veranschaulicht nachfolgendes Schaubild von The Things Network.

Auf der Internetseite von TTN lassen sich auch alle registrierten Gateways auf einer Weltkarte einsehen. Sollte man in der Reichweite eines oder mehrere Gateways liegen, benötigt man nur noch ein TTN-Konto und eigene Sensoren. Sollte das Umfeld verwaist sein, also keine Gateways vorhanden sein, kann man selber welche aufstellen und anmelden und so auch für die Gemeinschaft etwas Gutes tun.

Verarbeitungsweg LoRaWAN: Mit Nodes, Gateways, Cloud- und Application-Server

¹⁾

Und wie ist die Abdeckung um Gunzenhausen? Antwort: (Mitte Oktober 2019) - sehr mau - keine Gateways

²⁾ © OpenStreetMap contributors.

Wer sich momentan nicht weiter mit sendetechnischen Details oder gesetzlichen Einschränkungen herumschlagen möchte, den empfehle ich den Wechsel auf die Seite Projektziel.

Allen anderen lesen hier etwas weiter:

Das Modulationsverfahren von LoRa ist Chirp Spread Spectrum (deutsch: Zirpenfrequenzspreizung). LoRa sendet in Europa auf 8 + 2 Kanälen. Üblicherweise wechseln die nodes nach jedem Sendevorgang die Frequenz um den Datenverlust bei einem blockierten Kanal zu reduzieren.

Jedes Datenpaket eines Sensors kann mit unterschiedlichen Spreizfaktoren übertragen werden (SF7 bis SF10). Je höher der Faktor, je länger dauert die Datenübertragung umso empfangssicherer wird übertragen. Leider geht das auf die Kanalbelegungszeit (duty cycle genannt). Daher sollte der SF Wert möglichst klein gewählt werden.

Die Kanalbelegungszeit ist vom Gesetzgeber begrenzt. Pro node auf 1% per Stunde. Das entspicht einer maximalen Sendzeit von 36 Sekunden pro Stunde. Also öfters mit kleinem SF oder seltener mit größerem SF übertragen. Dies aber nur, wenn nötig. Generell gilt, immer den niedrig möglichsten SF wählen. Die Sendezeiten schwanken nämlich von wenigen ms (SF7) bis etwas über 1 s (SF12).

Der Sinn dieser Regel ist einfach: In Städten oder in gößeren Betrieben können leicht mehrere hundert bis tausenden notes zusammenkommen. Da viele nodes auch seltener als einmal pro Stunde senden, weil es für ihre Anwendung völlig ausreicht, kann man mit wenigen Gateways eine enorme Anzahl von nodes bedienen.

Durch das Modulationsverfahren ist das link budget enorm groß. Die Empfänger können selbst sehr schwache Signale auf Grund der speziellen Modulationstechnik aus Störsignalen und dem Rauschen herausrechnen.

Unter link budget versteht man das Verhältnis von Sendeleistung zu Empfangsleistung. Die Sendeenergie wird durch Parameter wie Antennenkabel(längen), Antennenformen, Entfernung zwischen Sender und Empfänger, Gebäuden oder Landschaftsmerkmalen im Ausbreitungsweg „verbraucht“. Das, was dann letztendlich im Empänger ankommt und noch detektiert werden kann, kann bis zu 155 dB geringer sein als die Sendeleistung. Die überbrückbaren Entfernungen liegen je nach Gegebenheiten zwischen 500m und 1 km (nodes in Gebäuden) und bis über 3 km (es geht sogar oft noch weiter) für nodes im Freien.

Wer sich gerne das Thema LoRa, LoRaWAN, LoRa nodes und Gateways von jemanden anderen erklären lassen möchte, dem sei auch der YouTube-Kanal von Andreas Spiess ans Herz gelegt. Er ist Schweizer und spricht in seinen Videos (teileise mit deutschen Untertiteln versehen) Englisch mit schweizer Accent.

Ein kleines Video erklärt LoRa recht gut.



Stand: 09.11.2020