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
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.
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.
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.
Wer noch einen Raspberry Pi in der Schublade hat, kann mit etwas Bastelgeschick für etwa 130 Euro ein eigenes Gateway ins Netz stellen, im Internet kursieren dafür verschiedene Anleitungen. Diesem Beitrag liegt im Wesentlichen die Beschreibung Form Zero to LoRaWAN in a weekend der Züricher The Things Network-Community zugrunde. Damit es wirklich innerhalb eines Wochenendes klappt, sollten die erforderlichen Komponenten am besten vorher besorgt werden.
Benötigt wird Folgendes:
das iC880A-SPI LoRaWAN concentrator Board
eine 868 MHz-Antenne mit mindestens 3 dBi Gewinn
ein Pigtail-Kabel u.fl auf SMA zum Verbinden der Antenne mit dem Board
ein Raspberry Pi inkl. Stromversorgung und Netzwerkverbindung
eine SD-Karte mit genügend Platz (z.B. 4 GB)
Auf der genannten Github-Seite der Züricher The Things Network-Community finden sich die Bezugsquellen für die Komponenten und die PIN-Belegung von Pi und iC880A-Board.
Als Betriebssystem für den Pi wird hier Raspian Stretch Lite eingesetzt, ein auf der Debian Stretch Distribution basierendes und mit 360 MB recht kompaktes Image ohne Desktop.