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IoT mit LoRa und Raspberry Pi: Die DNA des Internet der Dinge

Im IoT kommunizieren Geräte - aber mit welcher Übertragungstechnologie eigentlich? Wir erklären, was es mit LoRa auf sich hat und bauen mit dem Rasperry Pi ein voll funktionsfähiges LoRaWAN-Gateway. 

Eine Anleitung von Dirk Koller veröffentlicht am
IoT mit LoRa und Raspberry Pi
IoT mit LoRa und Raspberry Pi (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Das Internet der Dinge wird unser Leben verändern, das gilt unter Experten als unstrittig. Doch vorher muss geklärt werden, mit welcher Übertragungstechnologie die Geräte miteinander kommunizieren werden - sie wird die DNA des Internets der Dinge sein. Neben den bewährten Methoden werden in diesem Zusammenhang immer häufiger einige neue Schlagworte genannt. Wir erklären, was es mit LoRa, LoRaWAN und dem The Things Network auf sich hat und zeigen anschließend, wie sich aus einem Raspberry Pi und etwas zusätzlicher Hardware, ein voll funktionsfähiges LoRaWAN-Gateway basteln lässt.

Inhalt:
  1. IoT mit LoRa und Raspberry Pi: Die DNA des Internet der Dinge
  2. Das eigene Gateway

Im Moment ist im Internet der Dinge noch keine gemeinsame Übertragungstechnologie erkennbar. Naheliegend sind natürlich die bewährten Methoden WLAN, Bluetooth und LTE. Sie sind für viele Anwendungsszenarien aber ungeeignet, verbrauchen viel Strom, erfordern eine zu hohe Bandbreite, bieten nur eine geringe Reichweite oder sind wegen Frequenzgebühren teuer in der Nutzung. Oft treffen gar mehrere dieser Einschränkungen gleichzeitig zu.

Dabei sind die Nutzungsszenarien im Internet der Dinge (englisch Internet of Things, kurz: IoT) umfangreich: Das Smart Home findet sich zumindest in Form von App-gesteuerten Leuchten bereits in vielen Haushalten. Smarte Lautsprecher - Alexa und Co. - dürften auch 2018 wieder unter vielen Tannenbäumen liegen. Smart Citys sind Gegenstand ganzer Konferenzen. Andere Themen wie Connected Cars oder Wearables stehen dagegen noch am Anfang. In der Landwirtschaft, in der Logistik, in der Energieversorgung - überall werden Geräte smart gemacht, also mit dem Internet verbunden.

Für einen Smart-City-Parkplatz etwa, der seinen Belegungsstatus melden soll, sind die gängigen Übertragungswege ungeeignet. Benötigt wird dafür eine Technik, die kilometerweite Funkstrecken in einem lizenzfreien Band erlaubt und dabei wenig Strom verbraucht. Es gibt inzwischen einige Lösungen für dieses Problem. Im Folgenden wird LoRa vorgestellt, der ebenfalls sehr interessante, aber eher proprietäre Konkurrent Sigfox sei hier zumindest erwähnt.

LoRa - große Distanzen bei geringem Stromverbrauch

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LoRa steht für Long Range und ist eine kabellose, proprietäre Übertragungstechnologie, also letztlich ein patentierter Weg, Radiofrequenzen in Bits umzuwandeln. LoRa wurde ursprünglich von dem französischen Unternehmen Cycleo entwickelt. Inzwischen hält das Unternehmen Semtech die Rechte an LoRa. Semtech stellt LoRa-Chips her, vergibt aber auch Lizenzen an andere Hersteller. Technische Grundlage von LoRa ist ein spezielles Modulationsverfahren namens Chirp Spread Spectrum.

Anders als die konkurrierenden Drahtlos-Technologien WLAN, BLE und Mobilfunk, kommt LoRa mit sehr wenig Energie aus. Die Sensoren können Jahre in Betrieb sein, ohne dass ein Batteriewechsel fällig wird. Dabei bietet LoRa eine beeindruckende Reichweite. In dünn besiedelten Gegenden lassen sich bis zu 50 Kilometer zwischen Sender und Empfänger überbrücken. In der Stadt reduziert sich die Reichweite durch die Bebauung auf wenige Kilometer, dafür lassen sich aber dank guter Durchdringung auch unterirdische Sensoren, beispielsweise in der U-Bahn, erreichen. Das Ganze funktioniert ohne Lizenzkosten, weil LoRa auf den freien Frequenzbändern 433 MHz und 868 MHz operiert. Die Datenrate von beträgt 0,3 - 50 kbit/s bei maximal 25 mW Sendeleistung.

Damit nun viele dieser Endgeräte in Form eines Netzwerks miteinander kooperieren können, wird ein weiterer Baustein benötigt - LoRaWAN.

LoRaWAN, das Protokoll für das Internet der Dinge

LoRaWAN ist ein Protokoll für Wide Area Netzwerke. Dieser Software-Standard, wird von mehr als 500 Unternehmen in der LoRa Alliance unterstützt. Der Allianz gehören so namhafte Unternehmen wie IBM, Cisco, Swisscom oder das weiter unten vorgestellte The Things Network an. LoRaWAN erweitert LoRa, um die Funktionalität mit Gateways zu kommunizieren. Geregelt werden beispielsweise Verschlüsselung, Identifikation und die Art und Weise, wie die Endgeräte mit den Gateways reden. Alle Details werden in einer Spezifikation festgehalten, die die LoRa Alliance herausgibt.

Ein typisches LoRaWAN-Netzwerk ist sternförmig aufgebaut. Es besteht aus den Endgeräten in Form von Sensoren und Aktoren, mehreren Gateways, die mit den Sensoren kommunizieren sowie einem zentralen Netzwerkserver, der mit den Gateways über eine herkömmliche Netzwerktechnik (WLAN, Ethernet) verbunden ist. Die Endgeräte befinden sich die meiste Zeit in einem batterieschonenden Sleep-Modus und sprechen nur bei einer Statusänderung mit den Gateways. Durch die geringe Geschwätzigkeit und die hohe Reichweite lassen sich mit wenigen Gateways große Gebiete abdecken. Ein Gateway kann die Nachrichten tausender Sensoren verarbeiten.

Die LoRa-Community: The Things Network

Bisher existiert nur eine Handvoll größerer LoraWAN-Netzwerke, zum Beispiel von der Swisscon oder der SK Telecom in Südkorea. In Deutschland hat im September grade Unitymedia mit Conrad Connect ein Netzwerk ins Leben gerufen. Einen sehr spannenden Community-basierten Ansatz über Ländergrenzen hinweg verfolgt die niederländische Initiative The Things Network (TTN), die seit 2015 aktiv ist. Inzwischen besteht das Things-Netzwerk aus weltweit über 5.000 mit dem Internet verbundenen Gateways - Tendenz schnell steigend. Alleine in den letzten drei Monaten sind etwa 1.000 Gateways hinzugekommen.

  • The Things Network - Abdeckung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
  • Bauteile (Bild: Dirk Koller)
  • Verkabelung (Bild: Dirk Koller)
  • Registrierung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
The Things Network - Abdeckung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)

Momentan sind vor allen Dingen die Großstädte gut abgedeckt. Das Netzwerk ist ein guter Start, um die Technologie kennenzulernen oder Prototypen neuer IoT-Produkte auszuprobieren.

Das eigene Gateway 
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ttnberlin 09. Dez 2018 / Themenstart

- so sehen wir das in Berlin auch! Was SIGFOX angeht, so sind wir sehr gespannt auf den...

Octoate 05. Dez 2018 / Themenstart

Hi, in unserer Community haben wir Probleme mit der "Flugverkabelung" des IMST iC880a...

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