Datenübertragung von entfernten Messstellen mit LoRaWAN

1 Einführung - LoRaWAN Seit geraumer Zeit wirbt der Markt mit „Industrie 4.0" und dem „Internet der Dinge (IoT)". Aber was macht das „Internet der Dinge" denn anders als das aktuell genutzte Internet? Eigentlich macht es das Gleiche. Das IoT ist ein großes Ganzes, das aus vielen kleinen Bestandteilen bestehen kann. Dabei sieht das IoT von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich aus. Die Teststellung Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) an der Fürwiggetalsperre des Ruhrverbands befasst sich mit einem Teil des IoT. Wo ist der Unterschied zwischen dem Funkstandard LoRa und den bekannten Funknetzen? Welche Eigenschaften hat LoRaWAN und was für Möglichkeiten bestehen mit dieser Funktechnologie? Der Name LoRa ist urheberrechtlich geschützt. Hinter ihm stehen verschiedene Firmen, die sich zu einem Konsortium zusammengeschlossen haben. Sie beschreiben auch die Spezifikation des Netzes. Generell ist LoRa ein Funkstandard im SRD-Band (Short Range Device) von 863 bis 870 MHz. Es ist ein lizenzfreies und von jedem nutzbares Funknetz, das jedoch gewissen Regelungen der Bundesnetzagentur unterliegt. Diese schreibt unter anderem die maximale Funkzeit (Airtime) in den einzelnen Frequenzen vor. Im Idealfall sind Funkreichweiten auf freiem Gelände von 15 bis 20 km und innerorts bis etwa 2 km möglich. Hierbei handelt es sich aber meist um theoretische Werte (Bruttowerte), die durch Messungen oder Ausprobieren überprüft werden müssen. Ein großer Vorteil der Übertragungstechnik ist die dabei verwendete niedrige Datenrate. Sie durchdringt dabei selbst Gebäude. Die Modulation des Signals trägt ebenfalls zur Übertragungssicherheit bei. Hierbei legt der Spreizfaktor (SF) die Reproduzierbarkeit des Datenprotokolls fest. Alleiniger lizensierter Hersteller des LoRa-Chips ist die Firma Semtech. Die erforderliche Hardware um den Chip herum kann vom Anwender bestimmt und frei programmiert werden. Es existieren aber auch fertige „Nodes" (Endgeräte) zur Messwertaufnahme und Übertragung ins LoRaWAN. Topologisch ist das LoRa-Netz als Sternnetzwerk zu betrachten. Die Planung des Funknetzes obliegt dem Betreiber bzw. Errichter. Hierbei ist auf die optimale Ausleuchtung der Funkzelle und eventuelle Schnittflächen zu achten. Die Relevanz der zu übermittelnden Daten legt die Netzeigenschaft der Nodes fest. Sind für die Anwendung stündliche oder vielleicht tägliche Messwerte ausreichend, befinden wir uns in einem Netz der Klasse A im LowPower-Bereich. Stellt man jedoch höhere Anforderung an die Datenkommunikation zum Node, sind das Netze der Klasse B bzw. C, die permanent in Betrieb sind. Aber welchen Weg nimmt denn das Datenpaket von der Messstelle zu meiner Datenbank? Die sogenannten Nodes sind kleine Messwertaufnehmer mit geringer Stromaufnahme, die zu bestimmten Zeiten kleine verschlüsselte Datenpakete (Uplink) in die Luft senden. Ein in Reichweite befindliches LoRa Gateway horcht auf der Sendefrequenz des Nodes und transportiert das Datenpaket per TCP/IP-Verbindung an den Applikationsserver. Hier wird das Datentelegramm überprüft (gehört es überhaupt zu mir oder zur Applikation meines Nachbarn) und entschlüsselt. Die im Applikationsserver hinterlegte Schnittstelle (MQTT, REST-API) stellt die aufkommenden dekodierten Daten zur Verfügung. Über einen Importer können diese dann an eine Datenbank weitergeleitet werden. In der Gegenrichtung (Downlink) besteht die Möglichkeit, eine Änderung der Konfiguration des Nodes oder eine Empfangsbestätigung des Datentelegramms zu übermitteln.