Netzwerktechnologie für das Internet der Dinge IoT-Enabler LoRaWAN

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Die Digitalisierung sämtlicher Geschäfts- und Produktionsprozesse macht die umfassende Vernetzung aller Assets im Internet of Things (IoT) erforderlich. Diese sollte auch abgesetzte oder mobile Anlagenteile umfassen. Mit der eigenständigen IoT-Netzwerktechnologie LoRaWAN gelingt deren Integration in die Gesamtanlagenautomatisierung ohne hohe Infrastrukturinvestitionen oder ausufernde Betriebskosten.

Anlässlich der Hannover Messe 2011 wurde die vierte industrielle Revolution ausgerufen. Anlagen, die den Grundsätzen von Industrie 4.0 entsprechen, bieten die Möglichkeit, sämtliche Geschäfts- und Produktionsprozesse zu digitalisieren. Das bringt Anlagenbetreibern neben bedeutenden Vorteilen hinsichtlich Effizienz, Prozesstabilität und Nachvollziehbarkeit die Möglichkeit, völlig neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Informationsdrehscheibe IoT

Voraussetzung dafür ist, dass sämtliche Maschinen und Anlagen umfassend miteinander vernetzt sind und zusätzliche Sensoren sowie Aktoren die Kommunikation der Maschinen untereinander sicherstellen. Zur Vernetzung sollten möglichst sämtliche Standorte und abgesetzte Anlagenteile ebenso wie mobile Einheiten erfasst werden. Obwohl die Informationen dabei nicht notwendigerweise das Unternehmen verlassen, spricht man wegen der gewählten Basismethoden vom Internet der Dinge (Internet of Things; IoT).

Das IoT schafft die Möglichkeit, Produktions- und Infrastrukturanlagen sowohl horizontal als auch vertikal komplett zu vernetzen, ohne dass der Konnektivität zu viel Aufmerksamkeit zuteil werden muss. Damit bildet es die Voraussetzung für das Vernetzen ganzer Geschäftsprozesse. Und es bringt die Möglichkeit des Zugriffs über mobile Endgeräte, beispielsweise durch – eventuell auch externe – Instandhalter.

Medien für den Datentransport

Schon bei der Wahl des passenden Transportmittels für die Daten ist man mit einer enormen Vielfalt konfrontiert: IoT-Netzwerke für Produktion sowie Ver- oder Entsorgung nach den Grundsätzen von Industrie 4.0 lassen sich nur mit einer durchdachten Kombination unterschiedlicher Technologien zufriedenstellend realisieren.

In Werkshallen und Bürogebäuden übernehmen örtlich begrenzte Netzwerke (Local Area Network; LAN) mit und ohne Echtzeitfähigkeit den Datentransport. Die Entfernungen zwischen größeren Standorten werden oft mit dedizierten Leitungen spezialisierter Anbieter, heute oft auch über Internet-basierende Kommunikationsdienste, überbrückt.

Anbindung externer Anlagenteile

Um abgesetzte oder sogar mobile Anlagen, wie Windkraft- oder Kläranlagen und Landwirtschafts- oder Baumaschinen, integrieren zu können, setzen viele auf den kommenden 5G-Mobilfunkstandard. Zwar steht dessen Eignung für den Datentransport im IoT außer Frage. Allerdings ist zu erwarten, dass der Datentransport darüber Gebühren verursacht, die sich deutlich in der Kalkulation des Anlagenbetriebes niederschlagen würden.

Als Übertragungsnetzwerk für die Kommunikation mit Anlagenteilen, abgesetzt, mobil, oder mit einzelnen Sensoren, bietet sich zumindest in Anwendungen mit überschaubaren Datenmengen das eigens für das IoT entwickelte Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) an. Es nutzt lizenzfreie Funkfrequenzen und ermöglicht bis zu 40 km Reichweite. Dabei weist es eine hohe Gebäudedurchdringung auf, sodass selbst Endgeräte in Kellern erreicht werden.

LoRaWAN-Sensoren bewähren sich in Anwendungen von der Bodenfeuchtemessung in der Landwirtschaft über Füllstandsmessungen in geschlossenen Gefäßen bis zur Stellplatz-Belegungsüberwachung in Parkhäusern. Sie sind in Indoor- wie Outdoor-Ausführungen erhältlich und können einfach installiert und in das Netzwerk integriert werden.

IoT-Geräte ohne Stromanschluss

Im Vergleich zu kommerziell angebotenen Mobilfunknetzen bietet LoRaWAN den Herstellern, Betreibern und Instandhaltern räumlich ausgedehnter Anlagen zusätzlich zum Wegfall von Verbindungsgebühren zahlreiche weitere Vorteile. So können unter anderem unterschiedliche IoT-fähige Geräte sicher miteinander kommunizieren, ohne dass es komplexer und starrer Installationen bedarf. Das betrifft auch die Stromversorgung, die an abgesetzten Messstellen oder in mobilen Maschinen oft gar nicht oder nur mit enormem Aufwand hergestellt werden kann.

Als Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist LoRaWAN für die Anbindung von Endgeräten mit sparsam dimensionierter Stromversorgung oder im netzunabhängigen Betrieb optimiert: Die Kommunikationsmechanismen tragen durch eine besonders niedrige Verarbeitungsleistung dazu bei, dass die Endgeräte einen äußerst niedrigen Energieverbrauch aufweisen. Die Tatsache, dass die Endgeräte bidirektional sind, ermöglicht es, die Empfangsbereitschaft für die Downlink-Kommunikation zeitlich einzuschränken. LoRaWAN-Sensoren arbeiten oft mehrere Jahre lang mit nur einer Batterieladung. Darüber hinaus übermitteln sie regelmäßig ihren Status, sodass der Batterietausch rechtzeitig erfolgen kann.

Sichere Kommunikation

Der Aufbau von LoRaWAN-Netzwerken erfolgt üblicherweise als Sterntopologie. Dabei kommunizieren die LoRaWAN-Endgeräte per Single-Hop-Verbindung mit Gateways, die über eine Standard-IP-Verbindung mit dem Netzwerkserver verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich auch abgesetzte Systemteile mit sehr geringem Aufwand in bestehende Gesamtlösungen integrieren.

Die Kommunikation innerhalb des LoRaWAN-Netzwerks erfolgt mit Datenraten von 0,3 bis 50 Kbps. Diese können innerhalb eines LoRaWAN-Netzwerks gemischt verwendet und so vom LoRaWAN-Netzwerkserver durch den Adaptiven Datenraten Algorithmus (ADR) verwaltet werden.

LoRaWAN-Endgeräte und -Gateways nutzen ein patentiertes Übertragungsverfahren mit sehr hoher inhärenter Datensicherheit. Diese entsteht unter anderem durch ein mehrstufiges Verschlüsselungskonzept. Auf Netzwerkebene sorgt dafür gemäß EUI64 ein eindeutiger Netzwerkschlüssel, auf Applikationsebene ein einzigartiger Application Key. Ein gerätespezifischer Schlüssel gemäß EUI128 verhindert dabei Auswirkungen von Datenübertragungen aus nicht berechtigten Quellen. So wird sichergestellt, dass es nicht zu einer Querkommunikation oder Echos kommen kann. Das könnte sich sonst negativ auf das System auswirken.

Als IoT-Standard etabliert

LoRaWAN ist keineswegs das einzige funkbasierte LPWAN-System auf dem Markt, es gibt noch zahlreiche andere. Im Vergleich zu anderen ähnlichen Systemen bietet LoRaWAN allerdings das ausgewogenste und weitreichendste Gesamtpaket. Es ermöglicht eine sehr breite Auswahl an Netzwerkarchitekturen, Geräteklassen, Sicherheit und Skalierbarkeit für den Aufbau von IoT-Anwendungen.

Im Gegensatz zu zahlreichen anderen LPWAN-Technologien ist LoRaWAN kein proprietäres Protokoll, sondern ein offenes System. Es wird von der 2015 gegründeten LoRa Alliance verwaltet, einer gemeinnützigen Organisation mit dem Ziel der Förderung der Interoperabilität und Standardisierung von Low-Power-Wide-Area-Network-Technologien. Zu ihren Gründungsmitgliedern gehören unter anderem Cisco, IBM, MicroChip, Semtech und Swisscom. Zusammen mit den aktuell über 500 Mitgliedsunternehmen kann so ein breites Ökosystem sowie eine gute Verfügbarkeit kompatibler Hardware und Entwicklungssysteme sichergestellt werden.

Gerade in Deutschland ist LoRaWAN erkennbar auf dem Vormarsch. Da sich das System sehr einfach implementieren und betreiben lässt, macht es das Internet der Dinge für alle greifbar und damit zu einer sehr populären LPWAN-Technologie. LoRaWAN bietet sich besonders auch dafür an, bestehende Anlagen durch komplette Integration einschließlich abgesetzter und sogar mobiler Anlagenteile im IoT zukunftsfit zu machen.

Über die Autorin

Rike Ermeling ist Produktmanagerin Smart Home bei Reichelt Elektronik.

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