19.07.2023 629

LoRa-Module: Drahtlose Lösung für effektive IoT-Kommunikation

Smart-Technologien entwickeln sich zu einem immer wichtigeren Trend in großen Städten, denn sie ermöglichen die Optimierung und Automatisierung vieler Prozesse zu vergleichsweise geringen Kosten. Eines der populärsten Gadgets, die für diesen Zweck eingesetzt werden, ist das LoRa-Modul. Es ist ein “intelligentes Gerät”, das Daten in energiesparenden Netzwerken überträgt. In diesem Artikel befassen wir uns mit dieser Technologie der Funkdatenübertragung, der Rolle von LoRa-Modulen für das Internet of Things (IoT) und ihren Perspektiven.

Hauptmerkmale der LoRa-Technologie

Bei LoRa (kurz für Long Range, dt. große Reichweite) handelt es sich um eine Technologie für drahtlose Kommunikation, die auf der Modulation von Funksignalen basiert. Es gibt mehrere Hardware-Schichten, die es ermöglichen, dass viele IoT-Sensoren und intelligente Geräte gleichzeitig kleine Datenpakete über das LoRaWAN-Funknetz an Basisstation (Gateways) senden und dass diese Daten dann über das Internet an die Server des Betreibers weitergeleitet werden.

Das sind die wichtigsten Merkmale des LoRa-Netzwerks:

  • LoRa-Module unterstützen Geolokalisierung, so dass man den Standort der Geräte im Netzwerk verfolgen kann
  • Die Technologie arbeitet im Frequenzbereich, für den keine Genehmigung erforderlich ist
  • Dank des geringen Stromverbrauchs beim Einsatz im LoRa-Netzwerk können Endgeräte jahrelang betrieben werden, ohne dass man die Batterien tauschen muss
  • Die große Reichweite von LoRa senkt die Kosten für den Netzaufbau
  • Die tiefe Durchdringung von Innenräumen gewährleistet die Signalübertragung in dicht bebauten städtischen Umgebungen aus Kellerräumen
  • LoRa gewährleistet eine sichere Datenübertragung, da alle Informationen mit AES-128 verschlüsselt werden – einem der stärksten modernen Verschlüsselungsprotokolle
  • Je nach Bedarf kann man beliebig viele Zugangspunkte und IoT-Geräte hinzufügen, was eine hohe Skalierbarkeit der Datenübermittlung ermöglicht
  • Den Netzbetreibern stehen mehr als 6000 verschiedene Einstellungen zur Verfügung, so dass die Parameter der Kommunikation flexibel konfiguriert werden können

Diese Features von LoRa ermöglichen einen effektiven Einsatz dieser Technologie im “Internet der Dinge”: Die Langstreckenverbindung ermöglicht die Übertragung von großen Mengen an Sensordaten, selbst wenn es eine vergleichsweise geringe Anzahl an Basisstationen gibt.

Was ein LoRa-Modul ist

LoRa-Module sind kleine Geräte, mit deren Hilfe Daten im LoRaWAN-Funknetz auf Frequenzen im Bereich von 864-915 MHz (je nach Region) übertragen werden. Diese Module arbeiten auf Basis von Semtech-Chips und haben folgende Eigenschaften:

  • geringer Energieverbrauch
  • hohe Empfindlichkeit des Empfängers
  • hoher Schutzgrad gegen Störungen
  • Datenübertragung auf Entfernungen von bis zu 15 km
  • autonome Stromversorgung (über Batterie)
  • Lebensdauer von bis zu 10 Jahren ohne Batteriewechsel

Im Folgenden haben wir die Vor- und Nachteile von LoRa-Modulen aufgelistet.

 

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Bidirektionaler Betrieb: LoRa-Module sind sowohl zum Empfangen als auch zum Senden von Signalen geeignet.

Erschwinglicher Preis: Die Module arbeiten im lizenzfreien Frequenzbereich, was die Betriebskosten reduziert.

Große Reichweite der Signale: Je nach Gelände kann ein Modul Daten in der Stadt bis zu 5 km und im Freien bis zu 15 km übertragen.

Minimaler Stromverbrauch: Das Gerät benötigt sehr wenig Strom für den Betrieb im autonomen Modus und kann bis zu 10 Jahre lang arbeiten.

Universelle Verwendung: Die LoRa-Technologie wird weltweit für verschiedene Zwecke eingesetzt.

Hohe Empfindlichkeit des Empfängers: Die Module senden und empfangen Signale auch in Kellern und dicht bebauten Gebieten.

   

Geringer Durchsatz: Das globale LoRa-Netzwerk ist in seiner Größe begrenzt. Außerdem eignet es sich nur für kurze und periodische Signale.

 

Vergleichsweise niedrige Datenrate: Diese Technologie ist weniger geeignet für Anwendungen, bei denen es auf kontinuierlichen Datenempfang in Echtzeit ankommt.

 

Monopolstellung des Herstellers: LoRa-Chips dürfen nur von Semtech produziert werden.

 

Jooby-Geräte für die Fernauslesung von Zählern

Basierend auf LoRa-Modulen entwickelt Jooby, ein europäischer Hersteller von intelligenten Messgeräten, eigene Smart Meter für die Verbrauchserfassung – Funkmodule sowie Sensoren für analoge und digitale Zähler.

Geräte der Marke Jooby können neben Gas-, Wasser-, Strom- und Wärmezählern installiert werden, um deren Stände in festgelegten Intervallen zu erfassen und über das LoRaWAN-Funknetz an eine Basisstation zu übertragen. Danach werden die Daten an einen Server weitergeleitet, wo der Versorger über seine Software darauf zugreifen kann.

Diese Lösung ermöglicht es, ein für den Versorger bequemes Intervall für die Ablesung festzulegen. Die Zählerstände werden automatisch übermittelt und erscheinen kurz darauf im Dashboard. Darüber hinaus senden Jooby-Geräte Warnungen an den Versorger, wenn eine Notfallsituation eintritt. Dazu gehören unter anderem Fremdeingriffe, Manipulationsversuche mit Magneten, niedriger Batteriestand oder Wasserrückfluss.

Wie die Datenübertragung erfolgt

Die Erfassung und Übertragung der Daten mittels eines LoRa-Moduls umfasst vier Elemente:

Endgeräte: Das sind Punkte, an denen IoT-Sensoren mit integrierten LoRa-Modulen angebracht werden. Sie arbeiten autonom und sind mit Batterien ausgestattet. Die Sensoren erfassen Daten und übertragen sie dann an die Basisstation.

Basisstationen bzw. Gateways dienen dazu, eine bidirektionale Verbindung zwischen den Endgeräten und dem Netzwerkserver aufzubauen. Die Basisstation kommuniziert mit den Sensoren über das LoRaWAN-Protokoll und gleichzeitig mit dem Netzwerkserver über das Internet. Die Hauptaufgabe dieses Elements des Systems besteht darin, Daten von allen verfügbaren Endpunkten zu sammeln und sie an den Server zu übermitteln.

Netzwerkserver ist die nächste Schicht des Systems, die für die Speicherung und Verarbeitung der Daten verantwortlich ist. Der Server interagiert mit allen Gateways des LoRaWAN-Systems, protokolliert alle gesammelten Informationen und verwaltet das Netzwerk. Er legt den optimalen Zeitplan fest, passt die Geschwindigkeit der Datenübertragung an und verwaltet die empfangenen Daten.

Anwendungsserver ist der Endpunkt der Datensammlung. Dieser Server steuert den Betrieb aller Endgeräte.

 

In welchen Bereichen LoRa-Module zum Einsatz kommen

Die Eigenschaften der LoRa-Module ermöglichen ihre Verwendung für eine Vielzahl von Aufgaben im Zusammenhang mit smarten Technologien. Der geringe Stromverbrauch, die große Reichweite bei der Signalübertragung sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen machen LoRa-Module zur idealen Lösung in folgenden Gebieten:

  • Verbrauchserfassung aus der Ferne
  • Landwirtschaft
  • Smart City
  • Fahrzeug-Tracking
  • Intelligente Parkplätze
  • Gebäudeverwaltungssysteme
  • Umweltforschung

Der Einsatz von LoRa-Modulen ist heute unerlässlich bei der Entwicklung von kosteneffektiven Lösungen für Smart Home und Internet of Things. Diese Geräte ermöglichen eine sichere Datenübertragung über große Entfernungen und eignen sich für den Einsatz in verschiedenen Bereichen – von der Fernauslesung von Zählern bis hin zur Umweltüberwachung.

LoRa-Module bieten die optimale Grundlage für energiesparende Systeme, die starke Signale, aber geringe Datenraten erfordern. Die Skalierbarkeit der LoRa-Technologie ermöglicht eine einfache und kostengünstige Bereitstellung von IoT-Netzwerken. Diese Technologie zeichnet sich auch durch eine hohe Flexibilität aufgrund einer großen Zahl an konfigurierbaren Parametern aus, so dass die Lösung an genaue Anforderungen Ihres Projekts angepasst werden kann.

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