Mit der Entwicklung des Internet der Dinge (IoT) sind viele drahtlose Kommunikationstechnologien wie Bluetooth, WLAN und LoRa entstanden. LoRa steht für „Long Range” und ermöglicht eine energieeffiziente Datenübertragung über grosse Entfernungen. Daher ist die Funktechnologie besonders für Anwendungen im industriellen Internet der Dinge (IIoT) beliebt.
Die LoRa-Technologie setzt sich immer mehr durch. Während es 2022 noch 470 Millionen Verbindungen waren, sollen es 2023 laut Statista 730 Millionen werden. Damit wird deutlich, wie wichtig LoRa für die IoT-Industrien in diesem Jahr sein wird.
„LoRa-Geräte und das LoRaWAN®-Netzwerk haben das Potenzial, einige der grössten Herausforderungen unserer Zeit − wie ein besseres Energiemanagement, mehr Ressourceneffizienz und Umweltschutz, sowie eine nachhaltige Infrastruktur und einen besseren Katastrophenschutz − zu lösen. Semtechs LoRa-Geräte haben bereits in mehreren hundert bekannten Anwendungsfällen im Bereich Smart Cities, Gebäude, Gemeinde, Messsysteme, Lieferketten und Logistik, Landwirtschaft, etc. Daten gesammelt. Mit Hunderten von Millionen von Geräten, die in über 100 Ländern mit Netzwerken verbunden sind, schafft LoRa einen intelligenteren Planeten.”
Semtech
Wie funktioniert die LoRa-Technologie?
LoRa ist eine von Semtechentwickelte drahtlose Modulationstechnik, die auf der Chirp Spread Spectrum (CSS) Technologie basiert. Dabei werden kleine Impulse, so genannte „Chirp-Impulse”, über einen grossen Frequenzbereich gespreizt. Dadurch ist LoRa weniger anfällig für Störungen.
Ein weiterer Vorteil der LoRa-Technologie ist, dass sie im Gegensatz zu WLAN, Bluetooth oder ZigBee Daten über eine grössere Entfernung übertragen kann und zudem einen geringen Stromverbrauch hat. Deshalb eignet sich LoRa gut für Sensoren und Aktoren, die einen geringen Stromverbrauch erfordern.
Neben den lizenzfreien Sub-GHz-Frequenzbereichen, wie z. B. 915 MHz, 868 MHz und 433 MHz, kann LoRa für eine schnellere Datenübertragung auch auf 2,4 GHz betrieben werden. Allerdings ist die Reichweite dann nicht ganz so gross. Diese Frequenzen fallen in die weltweiten ISM-Bänder, die nur für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen genutzt werden.
Während LoRa nur die physikalische Schicht beschreibt, welche die Übertragung kleiner Datenmengen über grosse Entfernungen ermöglicht, definiert LoRaWAN das Standard-Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur für das Netzwerk. Damit lässt sich die Batterielebensdauer eines Knotens, die Netzwerkkapazität, die Servicequalität, die Sicherheit und die vom Netzwerk bedienten Anwendungen bestimmen.
Was ist LoRaWAN?
Die LoRa Alliance hat mit LoRaWAN einen offenen, cloudbasierten Standard entwickelt, der die Kommunikation von drahtlosen Geräten erleichtert. Im Wesentlichen kombiniert LoRaWAN die Vernetzung mit der LoRa-Funktechnologie und fügt Sicherheitsfunktionen wie Knotenauthentifizierung und Datenverschlüsselung hinzu. Es verbindet tragbare elektronische Geräte in lokalen, regionalen und internationalen Netzen drahtlos mit dem Internet.
Die LoRaWAN-Spezifikation ist ein Standard, der vor allem die reibungslose Integration von Geräten verschiedener Hersteller ermöglicht. Die Einführung der LoRa-Technologie im IoT-Sektor hat sich unter anderem aus diesem Grund beschleunigt.
Nach Angaben der LoRa Alliance gibt es derzeit 181 LoRaWAN-Netzbetreiber, die überall auf der Welt verteilt sind. Bis 2026 soll LoRa laut ABI Research mehr als ein Viertel der LPWA-Netzverbindungen ausmachen und damit zur führenden nichtzellularen LPWA-Technologie werden.
Wie funktioniert also LoRaWAN?
Die LoRaWAN-Architektur besteht aus vier Komponenten:
- Endknoten
- Gateway
- Netzwerkserver
- Anwendungsserver
Endknoten
Endknoten sind Geräte, die sich am Rande des Netzwerks befinden. Sie sind häufig mit Sensoren ausgestattet, die in regelmässigen Abständen Daten sammeln. In der Regel handelt es sich dabei um einen stromsparenden Mikrocontroller, der viele Jahre lang wartungsfrei im Feld eingesetzt werden kann und mit einem stromsparenden LoRa-Sender ausgestattet ist, der die Datenpakete an das Gateway übermittelt.
Gateways
Gateways dienen als Schnittstelle zwischen dem Netzwerk und den Knoten. Mithilfe eines LoRa-Konzentrators, können die Daten von den Endknoten gesammelt und über die öffentliche oder private Netzwerkinfrastruktur an den Netzwerkserver gesendet werden.
Netzwerkserver
Der Anwendungsserver erhält alle Daten, die der Cloud-LoRa-Server nach dem Empfang von den Gateways konsolidiert. Ein hervorragendes Beispiel für einen Netzwerkserver is das Things Network (TTN).
Anwendungsserver
Mithilfe des Anwendungsservers können Sie die Daten visuell oder analytisch auswerten. Darüber hinaus können Sie die Datenpunkte in eine Plattform einbinden, um bestimmte Aktionen auszuführen z. B. das Einschalten von Regenwasserpumpen in der Landwirtschaft oder das Öffnen von Fenstern in Gewächshäusern, um eine bestimmte Luftfeuchtigkeit zu erhalten. Sogar Benachrichtigungsdienste können eingerichtet werden, um Ingenieure bei einem Problem zu alarmieren.
Warum sind intelligente Fabriken auf LoRa angewiesen?
Intelligente Fabriken konzentrieren sich auf einen datengesteuerten Ansatz, um ihre Anlagen zu verwalten, Prozesse zu verbessern und eventuelle Probleme zu erkennen. Dies geschieht mit einem Netzwerk aus Maschinen, Geräten und Kommunikationsmitteln. LoRa und LoRaWAN können intelligente Fabriken dank ihrer grossen Reichweite und ihres geringen Stromverbrauchs effizienter und produktiver machen. Werfen Sie einen Blick auf einige der vielen Möglichkeiten, wie LoRa die täglichen Arbeitsprozesse verbessern und rationalisieren kann:
Überwachung der Anlagen und Einrichtungen
Die Verwendung von Telemetrie- und Geolokalisierungsdaten in einer industriellen IoT-Lösung liefert ein klares Bild davon, wie die Anlagen arbeiten. In IT- und Betriebstechnikumgebungen verbessern Sensoren den Einblick in physische Räume. Um die betriebliche Effizienz zu steigern, Diebstähle zu verringern und die Logistik zu optimieren, können Geolokalisierungsdaten zur Verfolgung und Überwachung von Vermögenswerten und deren Standorten verwendet werden.
Umgebungsüberwachung
Mit LoRaWAN-Sensoren können Temperatur und Luftfeuchtigkeit, der Status geschlossener/geöffneter Türen, die Beleuchtungsstärke und die Belegung gemessen werden. Private Daten werden über das LoRaWAN-Netz wiederhergestellt und an ein SCADA-System zur Visualisierung und Archivierung übermittelt.
Fabrikautomatisierung
Die Vernetzung von Modbus-Daten mit einem privaten LoRaWAN-Netzwerk ermöglicht es Ihnen, Daten von entfernten Anlagen mit intelligenten Sensoren abzurufen, auch wenn diese kilometerweit entfernt und durch Gebäude oder Mauern getrennt sind. Damit gehören manuelle Datenwiederherstellungsmethoden und teure Verkabelung, die häufig Fehler in die Systeme bringen, der Vergangenheit an.
Intelligentes Industriemanagement
Sensoren können zur Fernüberwachung von Geräten und Fahrzeugen eingesetzt werden, um Ressourcen zu verwalten. Dazu gehören Stromprüfungen, Temperaturmessungen, Wasserzähler und Kondensatableiter bei schweren Geräten wie Gabelstaplern, Lastwagen, Dieseltankwagen, Baggern und Betonmischern.
Überwachung des CO2-Gehalts
Mithilfe von LoRaWAN und LoRa-basierten CO2-Sensoren, die in Bürogebäuden und Arbeitsbereichen eingesetzt werden, können Sie die Belüftung überwachen, für ausreichend natürliches Licht sorgen, den Geräuschpegel steuern und andere Elemente des Wohlbefindens der Mitarbeiter verbessern.
Vorteile der LoRa-Technologie für intelligente Fabriken
Für jede intelligente Fabrik und jeden intelligenten Fertigungsbetrieb sind andere Prioritäten erforderlich. Daher kann die LoRa-Lösung erweitert werden, um die jeweiligen Anforderungen zu erfüllen. Zu den Vorteilen von LoRa für intelligente Fabriken gehören:
- Eine Steigerung der betrieblichen Effizienz.
- Eine bessere Arbeitsplatzgestaltung.
- Mehr Umweltschutz durch niedrigere CO2-Emissionen.
- Kosten- und Energieeinsparungen.
- Das Erkennen potenzieller Schwachstellen und Risiken
- Die Maximierung des Einsatzes von Personal und Ressourcen.
Vorteile der Nutzung von LoRaWAN für intelligente Fabriken
- Grosse Reichweite
- Geringer Stromverbrauch
- Geringe Kosten
- Fernkonfiguration
- Drahtlose Datenerfassung ohne Kabelsalat
- Toleranz der Latenzzeit mit vorgeschlagenem Berichtsintervall
Empfohlene LoRa-Produkte
Seeed Studio LoRaWAN-Gateway-Module
Arduino Edge Control Kit
M5Stack LoRa-Kommunikationsmodul
ST LoRa Tracker und GPS-Modul Evaluierungsboard
SparkFun expLoRaBLE LoRa Thing Plus Entwicklungsboard
Adafruit FeatherWing RadioFruit Board mit LoRa-Funk
FAQs
LoRa und WLAN werden für unterschiedliche Zwecke verwendet. Während die WLAN-Technologie grosse Datenmengen schnell über eine kurze Distanz senden kann, sendet LoRaWAN kleine Datenmengen mehrmals pro Stunde oder pro Tag über eine Entfernung von mehreren Kilometern.
Der einzige Kommunikationskanal, den ein LoRaWAN-Knoten benötigt, ist das LoRaWAN-Netzwerk. Das Gateway benötigt jedoch einen Cloud-Dienst, wie TTN (The Things Network).
Ja, LoRa kann im Gegensatz zum WLAN Metall, Beton und Glas durchdringen, weshalb Gebäude oder Mauern kein Hindernis für die Technologie darstellen.
In bebauten Gebieten kann LoRa eine Reichweite von bis zu fünf Kilometern und in ländlichen Gegenden von bis zu 15 Kilometern oder mehr erreichen.
Ja, dank der grossen Reichweite und der guten Durchdringung kann die LoRa-Technologie auch unterirdisch (z.B. im Bergbau) angewendet werden.
