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laura1: LoRaWAN-Prototyp

Für das Seminar Internet der Dinge hatte ich die Möglichkeit mich mit der LoRa-Funktechnologie und dem Aufbau eines darauf aufbauenden Netzwerks – ein sogenanntes LoRaWAN – zu beschäftigen, die mich wegen der speziellen Eigenschaften seit dem Vortrag von Lorna Goulden zum IoT auf der GOTO2016 fasziniert.

LoRa sendet und empfängt auf einem recht niedrigen und lizenzfreien Frequenzband – in Europa bei 433 bzw. 868 MHz – wodurch es recht wenig Energie benötigt (im Gegensatz zu bspw. WLAN) und die Nutzung offen für alle ist. Zudem sind, im Vergleich zu Bluetooth, WLAN oder auch 4G, sehr große Funk-Distanzen von bis zu 15–40 km möglich1. Dadurch eignet sich LoRa für den Aufbau von weit-verteilten Sensor-Netzwerken, die z.B. Wetter- oder Feinstaub-Daten erfassen oder, wie beim Flood Network, den Wasserstand von Flüssen und Bächen, um eine mögliche Überflutung frühzeitig zu erkennen.
Durch das niedrige Frequenzband und die große Reichweite ergeben sich allerdings auch zwei Nachteile: Es können nur recht wenige Daten übertragen werden, max. 256 Byte pro Paket; und es kommt bei großen Entfernungen zu hohen Verzögerungen. Daher eignet sich LoRa eher für die Übertragung von metrischen Messdaten als für die Übertragung von Bild und/oder Ton.

Auch wenn LoRa auf einem lizenzfreien Frequenzband arbeitet und somit die Nutzung prinzipiell allen offen steht, so müssen die Netzwerke nicht offen sein, da auf allen Ebenen Verschlüsselung und Autorisierung vorgesehen sind.
So bieten etwa KPN in den Niederlanden oder ST in Südkorea kommerzielle LoRaWAN-Zugänge an.

Ein offenes, weltweites Netzwerk auf Basis von LoRa (und Bluetooth) möchte The Things Network für das Internet Of Things aufbauen, das es allen Interessierten ermöglichen soll, ohne erhebliche und dauerhafte Kosten, eigene Anwendungen für das Internet Of Things, wie z.B. das Flood Network, aufzubauen.

laura1

Mit laura1 versuche ich den Prototyp eines LoRaWAN mit offener Hardware und Anschluss ans The Things Network aufzubauen. Ein LoRaWAN besteht dabei aus einem Gateway, das mit den, über LoRa verbundenen, Geräten spricht und z.B. deren Daten an einen Server ins Internet weiterleitet (ein Gateway ist in dem Sinne also vergleichbar mit einem WLAN-Router). Die Geräte, die per LoRa mit dem Gateway sprechen, sind sogenannte Nodes und können z.B. über Sensoren Daten erfassen.

Gateway

Das Gateway von laura1 besteht aus einem Raspberry Pi 3 Model B und einem Dragino LoRa/GPS HAT, das einfach auf den Raspberry Pi aufgesetzt wird.
Auf einem Raspbian Lite läuft derzeit als Software für das Gateway eine angepasste Version des single_chan_pkt_fwd.

Node

Das erste Node von laura1 besteht aus einem Arduino Uno und einem Dragino LoRa/GPS Shield, das ebenfalls einfach auf den Arduino gesetzt wird.
Der Arduino ist mit einer angepassten Variante des raw-Beispiels der Arduino-LMIC library geflasht und übermittelt via LoRa die einfache Nachricht „Hello, world!“.

In einer erweiterten Variante, misst das Node mittels des Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensors DHT22 die Temperatur und übermittelt diese per LoRa.

Da sich der Arduino auch mittels einer 9V-Blockbatterie betreiben lässt, ist auch der Betrieb des Nodes unabhängig von einer festen Stromquelle wie der USB-Verbindung zum Computer oder dem Stromnetz möglich.

How To

Eine kleinschrittige Anleitung zum Aufbau des Prototyps befindet sich auf GitHub.

Ausblick

Im ersten Versuchsaufbau funktioniert bisher die einseitige Kommunikation vom Node zum Gateway bereits sehr zuverlässig, aber leider ist die Verbindung vom Gateway zum The Things Network noch nicht stabil. Zudem funktioniert die Verbindung bisher nur in eine Richtung, obwohl LoRa bidirektionale Verbindungen erlaubt, also auch vom Gateway Daten oder Befehle an ein oder mehrere Nodes geschickt werden können.

Im nächsten Schritt soll also das Gateway mit einer Software bestückt werden, die die Daten vom Node zuverlässiger ins The Things Network weiterleitet und auch das Senden von Befehlen vom Gateway zum Node ermöglicht.


1 Das The Things Network hat in einem Ballon-Experiment am Mittwoch eine Distanz von über 330 km erreicht!