LoRa(WAN) Workshop
by dokuhn, mamue and lugsaar contributors
LoRa vs. Wi-Fi, BLE, UMTS (4G, 5G)
LoRaWAN
- LoRa-Wide-Area-Network
- stern- oder meshförmige Architektur
- LoRa-Endgeräte kommunizieren mit s.g. LoRa-Gateways, welche die Datenpakete an einen LoRaWAN-Server senden
- Kommunikation doppelt via 128 AES verschlüsselt
- End-to-End zwischen Node und Netzwerkserver
- End-to-End zwischen Node und Anwendungsserver
The Things Network (TTN)
- globales, communitybasiertes Weitbereichs-Netzwerk für IoT Anwendungen
- Offenes, kostenloses und dezentrales Crowdsourcing-Projekt
- Durch die beiden Niederländer Wienke Giezman und Johan Stokking gestartet
- große Teile es Amsterdamer Stadtgebiets sind bspw. in weniger als sechs Wochen abgedeckt worden
- Niederlande ist bereits zum größten Teil mit TTN versorgt
- In Berlin versorgen gut 210 registrierte Gateways rund 1.500.000 Menschen mit einem LoRaWAN-Zugang
- Mitte Februar 2021 waren rund 18.000 LoRaWAN-Gateways in etwa 150 Ländern in Betrieb
- global circa 135.000 Freiwillige bei der Errichtung des weltweit größten, vernetzten „Internet der Dinge“
The Things Network (TTN) – Aufbau
- Device - LoRaWAN-fähiges Gerät, das für die Over The Air Activation (OTAA) und/oder Activation By Personalisation (ABP) in Betrieb genommen wird
- Gateway - LoRa-Nachrichten empfangen und sie an den Router weiterleiten, unter der Nutzung eines sicheren und fernkonfigurierbaren Packet Forwarder
- Router - Microservice, der Nachrichten vom Gateway empfängt und diese Nachrichten an einen Broker weiterleitet
- Broker - Microservice, der ein Gerät identifiziert, dessen Datenverkehr dedupliziert und die Pakete an einen Handler weiterleitet
- Handler - Mikrodienst, der die Nutzdaten verschlüsselt und entschlüsselt und sie an Nachrichtenbroker zur Verwendung durch Anwendungen weiterleitet
- Anwendung - Ein Stück Software, das auf einem Server läuft und einige Aufgaben für den Endbenutzer ausführt
Definition sowie Grundbegriff LoRa
- LoRa (Long Range oder auch als low radiation gelesen) ist ein properitäres und patentiertes Übertragungsverfahren auf der Bitübertragungsschicht (engl. physical layer)
- Entwickelt durch die Firma Semtech Corporation
- basiert auf patentierter Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik
- Energieeffiziente Uplink-Kommunikation (Senden der Nodes an ein LoRaWAN-Netz) über Distanzen von mehr als 10 Km
- Großer Vorteil ist die Gebäude-Durchdringung
- Effektive Datenraten: 0,3 – 50 kbit/s
- Frequenzbänder:
- 433,05 – 434,79 MHz (ISM-Band Region 1, Schweiz)
- 863 – 870 MHz (SRD-Band Europa)
- 902 – 928 MHz (ISM-Band Region2, Nordamerika)
Warum ausgerechnet LoRaWAN?
- Hohe Reichweite der Technologie
- geringer Energieverbrauch (gerade im Standby)
- Batterie betriebene Anwendungen mit mehreren Jahren Lebensdauer
- Senden über mehrere Kilometer Entfernung ohne den Einsatz eines Netzteils, Solarpanel, etc.
- Sicher (Ende-zu-Ende Verschlüsselung)
- Hohe Anwendungsbreite (Umweltsensoren, Indoor-Ortung, Smart Cities, Condition Monitoring, etc.)
- Geringere Abschirmung, Reflexionen und Beugung durch geringere Frequenz im Vergleich zu Wi-Fi, 4/5G, UMTS, etc.
- Offener Standard
- Aufbau eines eigenen Netzwerks ohne Beantragung einer Funk-Lizenz bei Bundesnetzagentur
- Verbreitetet Frameworks und Libararies für Nodes, Treiber, Gateways, Microservice-Stack
Erfahrung mit LoRa Sensor Nodes
- Digitale Temperatur, Co², Luftfeuchtigkeits Sensoren auf Basis eines Dragino LSN50-v2 Sensors bereits mehrfach eingesetzt
- Messbereich -55°C ~ 125°C
- LoRAWAN v1.0.3 Klasse A
- STM32L072CZT6 MCU
- SX1276/78 LoRa Wireless Modem
- I2C, LPUART, USB
- Open source Hardware/Software
- 18 x Digital I/O; 2 x 12bit ADC; 1 x 12bit DAC
- Software base on STM32Cube HAL drivers
- Max Reichweite ca. 16,8 Km (Distanz Köllerbach- Saarlouis/Berus)
- Batterie Lebensdauertest:
- Temperaturmessung – ca. 2,5 Jahre bei Messung alle 5 Minuten
- Co2-Messung – ca. 6 Monate bei Messung alle 10 Minuten
- Co2 Messung bedarf deutlich größerem Strom, Faktor 20 größer für ca. 30 Sekunden
Kritik und Alternativen zu TTN
- The Things Industries als kommerzielle Variante von TTN
- Community/User betriebene Gateways hängen ebenfalls an TTI
- Einschränkung von Bandbreiten zu gunsten TTI aktuell nicht bewiesen, wird aber immmer wieder kritisiert
- Community getriebende Alternative stellt ChirpStack da
- ChripStack ebenfalls direkt im Docker Container
- ChirpStack in Go entwickelt
- Überarbeitung und Erweiterung der Protokolle für Applikationen und Gateways
Dashboard
aktuelle Projekte
