Autor: Ivo Frank

Beschäftigt man sich mit der Digitalisierung, Smart-Citys oder dem Internet of Things (IoT), ist die Wichtigkeit von energieeffizienten Funktechnologien naheliegend. Immer häufiger hört man in diesem Zusammenhang auch von dem Funkstandard LoRa oder LoRaWAN. Aber was ist das eigentlich und wie unterscheidet es sich von anderen Funktechnologien?

Zunächst einmal müssen wir das Große und Ganze betrachten. LoRaWAN steht für «Long Range Wide Area Network», was so viel bedeutet wie Netzwerk mit großer Reichweite. Das Netzwerk wurde gezielt für das IoT (Internet of Things), also der Vernetzung von Gegenständen und Maschinen, entwickelt. In der Regel besteht es aus drei Komponenten:

1. Sensoren und LoRa Sender (Umgangssprachlich auch „Endnode“ genannt): Erfassen Daten und senden sie über LoRa an ein Gateway.
2. LoRa Gateway: Empfängt Daten der Sensoren und leitet diese an einen Server weiter.
3. Server/Cloud: Empfängt, verarbeitet und visualisiert Daten.

LoRaWAN beschreibt also den gesamten Aufbau des Netzwerks und die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten.

LoRa hingegen steht für «Long Range» und bezeichnet die Funktechnik, welche die Kommunikationsverbindung über Langstrecken ermöglicht. Die Funktechnik kommt ausschließlich in der Kommunikation zwischen den Sensoren und den Gateways zum Einsatz.

Wie steht es um die Sicherheit der Funktechnologie?

Aufgrund der hohen Energieeffizienz der Funktechnologie ist es möglich, Geräte trotz Funk über sehr lange Zeiträume zu betreiben. Deshalb ist es wichtig, dass die Sicherheitsmechanismen der Technologie zukunftssicher sind. LoRaWAN nutzt deshalb standardisierte Ende-zu-Ende-Verschlüsselungsalgorithmen. Die zu übertragenden Daten werden also auf der Senderseite verschlüsselt und erst beim Empfänger wieder entschlüsselt. Der hierzu benötigte Schlüssel ist dabei ausschließlich im Besitz des Empfängers. (Quelle: LoRa Alliance)

Betrieb im privaten oder im Community Netzwerk?

Das Open-Source-Prinzip von LoRaWAN ermöglicht den Betrieb sowohl in einem eigenen Netz als auch die Nutzung sogenannter Community Netzwerke. Möchte man nur in einem beschränkten Bereich tätig sein, so kann der Betrieb eigener Gateways und Server sinnvoll sein. Ist man aber auf ein weitläufiges Netz angewiesen, kann man bspw. auf das Community-Netzwerk „The Things Network (TTN)“ zurückgreifen.

The Things Network (TTN)

Das The Things Network ist ein globales, offenes und dezentrales Netzwerk, welches durch eine Community finanziert wird. Ziel des TTN ist es, ein globales IoT-Funknetzwerk auf Basis von LoRa zu errichten. Wer also Teil des TTN ist und ein eigenes Gateway betreibt, versorgt auch seine Umgebung und trägt zu einem flächendeckenden Funknetzwerk bei. So können auch Privatpersonen zur Abdeckung beitragen.

Vergleich mit anderen Funktechnologien

Funktechnologien wie Bluetooth und WLAN erreichen unter optimalen Bedingungen maximale Reichweiten von bis zu 100 Metern. Das ist in den meisten Fällen nicht ausreichend für Industrieanwendungen, da sich Firmengelände oder Baustellen häufig über größere Flächen erstrecken. Hinzu kommt, dass das Senden mit WLAN ungefähr drei Mal so viel Energie benötigt wie das Senden mit LoRa und dadurch eher ungeeignet für batteriebetriebene Sensoren ist.

Ebenso zu den Trend-Settern im IoT gehört die Funktechnologie NarrowBand-Iot (NB-IoT). Sie überzeugt ebenso in der Energieeffizienz und einer hohen Reichweite. Dennoch unterscheiden sich die Technologien in vielen Punkten. Der größte Unterschied besteht dabei im Aufbau des Netzwerks. Während die Netzwerkstruktur von LoRaWAN in den meisten Fällen aus Sensoren, Gateways und Servern besteht, wird bei NB-IoT auf ein bestehendes Mobilfunknetz zurückgegriffen. So benötigt man lediglich einen kompatiblen Sensor. Das Netzwerk für den Datenaustausch wird von Telekommunikationsanbietern bereitgestellt. Das führt jedoch dazu, dass Kosten in Form von Datentarifen (SIM-Karte) für die Nutzung des Netzwerks anfallen.

	LoRa	WiFi	NB-IoT	Bluetooth
Frequenz	868 MHz	2,4 GHz 5 GHz	800 MHz 900 MHz 1800 MHz	2,45 GHz
Gebäudedurchdringung	+	–	+	–
Energiebedarf	+	–	+	+
Betriebskosten	+	+	–	+

Vorteile

• Hohe Reichweite von bis zu 10 km
• Gute Durchdringung von Gebäuden. Das Erreichen von Keller-Räumen oder Ware in Frachtcontainern ist problemlos möglich.
• Der sehr geringe Energiebedarf sorgt für maximale Batterielaufzeiten der Sensoren.
• LoRaWAN ist Open-Source. Es entstehen also keine Lizenzgebühren oder Gebühren für die Datenübertragung.

Einsatzmöglichkeiten

LoRa ist mit seiner hohen Reichweite und dem geringen Energiebedarf besonders für Sensoren oder Anwendungen geeignet, bei welchen geringe Datenmengen in großen Zeitabständen gesendet werden. Darunter fallen zum Beispiel Steuerbefehle, Statusmeldungen oder aktualisierte Sensordaten.

Im Bereich Smart-City kann hierdurch beispielsweise die Parkplatzsteuerung mit Parkplatz-Sensoren überwacht werden. Zudem können Abfallbehälter mit Füllstand-Sensoren ausgestattet werden, sodass Entsorgungsunternehmen Ihre Routen optimieren können.

Im Bereich der Logistik können LoRa-Sensoren zur Verfolgung von Gütern oder der Transportüberwachung eingesetzt werden.

Auch im Bereich Flottenmanagement oder Asset-Tracking, also dem Überwachen von Gütern oder Geräten, eignen sich LoRa-Sensoren hervorragend.

Beispiele zur Anwendung in der Praxis:

Die Digitalisierung ist in vollem Gange. Ein Schlagwort, welches dabei immer wieder zu hören ist, nennt sich IoT, aber was ist IoT eigentlich und was macht es?

Vernetzung ist in vielen Bereichen bereits Alltag. Vor allem aber in unserem Lebensbereich. So ist es zum Beispiel völlig normal, dass wir Bilder und Beiträge in sozialen Netzwerken teilen oder unsere Smartwatch uns täglich Infos über unseren Fitnesszustand mitteilt. Das Internet of Things soll nun genau diesen Grad der Vernetzung auf alle anderen physischen Objekte übertragen. Eine allgemeingültige Definition für das Internet of Things ist aber nicht möglich, denn es besitzt eine erstaunliche Vielfalt. Die Grundstruktur ist in den meisten Fällen jedoch identisch und besteht aus folgenden Komponenten:

• Gegenstände
  Den Ausgangspunkt des Internet of Things bilden zu überwachende oder zu verbindende Gegenstände oder Objekte.
• Sensorik
  Die an den Objekten angebrachten Sensoren, zeichnen Daten auf.
• Kommunikation
  Für den Transfer der Daten gibt es verschiedenste Modelle. Häufig kommen bekannte Funktechnologien wie Bluetooth und WLAN zum Einsatz. Immer häufiger werden zudem Technologien wie LoRa® und NB-IoT verwendet.
• Infrastruktur
  Cloud-Plattformen sammeln und speichern die Daten. Erst hier entwickelt sich der eigentliche Mehrwert des Internet of Things. Hier findet das Auswerten und Wandeln der Daten zu Informationen statt.

Welche Branchen können vom IoT profitieren?

Den Anwendungsbereichen für den Einsatz von IoT-Lösungen sind kaum Grenzen gesetzt. Beinahe in jeder Branche kann durch den Einsatz ein Mehrwert geschaffen werden. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten hierfür:

• Vernetzung von Produkten
  Bei diesem Vorgehen werden Sensoren direkt in ein neues Produkt integriert. Das dient der Erschließung von neuen Geschäftsfelder oder der Verbesserung des Nutzer-Erlebnisses.
• Vernetzung von Prozessen
  Bei der Vernetzung von Prozessen und Abläufen gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Neben der Automatisierung von Abläufen, können zum Beispiel Wartungszyklen vorhergesagt werden, Standorte ermittelt werden oder Umgebungen überwacht werden.

Beispiele für IoT-Anwendungen:

Baubranche: Ein Sensor-System bestehend aus Trackern, Gateway und einer Cloud-Applikation liefert Daten über den Standort und Zustand von Geräten und Gütern. Die Verwendung der Daten kann bspw. Verschreibungsvorgänge automatisieren, Suchzeiten reduzieren und den Gerätepark bedarfsgerecht anpassen.

Smart-City: Sensoren in Abfalleimern erfassen den Füllstand und informieren die zuständigen Entsorgungsbetriebe, sobald diese geleert werden müssen.

Lebensmitteltransport: Sensoren überwachen die Temperatur von Lebensmitteln, um zu prüfen, ob die Qualitätsanforderungen eingehalten wurden.

Gebäudemanagement: Ein Sensor-System überwacht die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Gaskonzentration, Helligkeit und Lautstärke und erkennt Abweichungen zu optimalen Arbeitsbedingungen. Hierdurch kann die Lern- und Konzentrationsfähigkeit positiv beeinflusst werden. Zudem kann die Erfassung der Daten bspw. auch Reinigungsprozessen in Gebäuden optimier.

Welche Vorteile bringt das mit sich?

Durch die Vernetzung von Objekten, Gegenständen oder Geräten lassen sich grob gesagt alle möglichen Prozesse automatisieren. Aufgrund der Vielseitigkeit des Internet of Things, resultieren aus den gesammelten Daten zahlreich Vorteile. So lassen sich beispielsweise Wartungen besser planen, Fehler oder sogar Ausfälle hervorsagen bevor Sie auftreten oder Geräte per GPS nachverfolgen. Letztendlich ergeben sich aus den Vorteilen der Vernetzung, Einsparungen und eine Maximierung der Transparenz über interne Prozesse.