Kellner LoRaWAN für Maker

Sensoren auslesen, Daten teilen, Projekte umsetzen
1. Auflage 2024
ISBN: 978-3-367-10451-2
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 284 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Mit LoRaWAN realisieren Sie drahtlose Maker-Projekte, die weder auf Steckdosen noch auf WLAN-Router angewiesen sind. Praxisorientiert lernen Sie dazu in diesem E-Book, wie Sie mithilfe von Hardware von ELV und The Things Stack Sensoren auslesen, Daten sammeln und Aktoren schalten können - und das alles über beeindruckende Reichweiten, die weit über die Möglichkeiten von WLAN und Bluetooth hinausgehen.
Harry Kellner begleitet Sie Schritt für Schritt von den Grundlagen bis zur Umsetzung Ihrer eigenen kreativen Projekte. Sie erfahren, wie Sie das Basismodul konfigurieren, Sensoren anschließen und die gesammelten Daten mithilfe von Automatisierungslösungen und Webhooks auswerten und nutzen können.

Aus dem Inhalt:

• LoRa - ein Protokoll erobert die Welt
• Ein passendes Gateway wählen
• Module und Knoten
• Sensoren für alle Aufgabe
• Das ELV-Modul-System
• The Thing Stack
• Eine eigene Wetterstation aufbauen: Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen
• Türen, Fenster und Briefkästen überwachen

Harry Kellner ist Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und arbeitet als Senior-IT-Spezialist bei einer großen Bausparkasse.

Autoren/Hrsg.

Kellner, Harry

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1 Einführung -- Wer ist LoRa? ... 9  1.1 ... Ein Protokoll erobert die Welt ... 9  1.2 ... Ein Exkurs in die Technik -- keine Angst vor Fachbegriffen ... 12  1.3 ... Der Einstieg für alle ... 18

Teil I.  Die Grundlagen -- Hardware und Software ... 19  Kapitel 2 Ein passendes Gateway ... 21  2.1 ... DRAGINO LPS8 ... 23  2.2 ... MikroTik LR8 ... 28  2.3 ... Seeed Technology SenseCAP M2 ... 36  2.4 ... The Things Industries TBMH100 Minihub ... 39  2.5 ... CapiBridge Gateway ... 41  Kapitel 3 Module und Knoten ... 45  3.1 ... IoT-Module und kein Überblick? ... 45  3.2 ... Ein System für fast alles: die Papageien von ELV ... 46  3.3 ... Das Basis-Modul als zentrales Element ... 48  3.4 ... Die Stromversorgung der Sensoren ... 51  3.5 ... Offen für eigene Entwicklungen und Erweiterungen ... 56  3.6 ... Gut verpackt: Welches Gehäuse für die Anwendung? ... 63  Kapitel 4 Sensoren und Aktoren ... 71  4.1 ... DRAGINO LWL02 -- Wasserleck-Sensor ... 71  4.2 ... DAGINO LDS02 -- Tür- und Fenstersensor ... 73  4.3 ... DRAGINO LHT65 -- Temperatur- und Luftfeuchtesensor ... 74  4.4 ... Seeed Technology -- Generic Node ... 76  4.5 ... kuando -- eine Busylight-Anzeige für LoRaWAN ... 78  4.6 ... DRAGINO LT-22222-L -- IO-Controller ... 79  4.7 ... DRAGINO LA66 -- LoRaWAN-Shield ... 81  4.8 ... Stemedu LoRa-Node ... 82  4.9 ... Heltec ESP32-LoRa-Modul SX1276 ... 83  Kapitel 5 Das ELV-Modulsystem ... 85  5.1 ... Viele Anwendungen -- das Komplettsystem für LoRaWAN ... 85  5.2 ... Der Typ LW -- die Komplettbausteine für das LoRaWAN ... 118

Teil II.  Raus in die Wildnis -- Daten ins Internet ... 133  Kapitel 6 The Things Stack & Co. ... 135  6.1 ... Welche Plattform soll es sein? ... 137  6.2 ... Helium und andere ... 137  6.3 ... Der Favorit: TTS -- The Things Stack ... 139  Kapitel 7 Sensoren anmelden ... 145  7.1 ... Beginnen wir einfach: Temperatur und Luftfeuchtigkeit ... 146  7.2 ... Damit ein Licht aufgeht: die Busylight-Anzeige ... 153  7.3 ... Wetter ist immer: das Board für die Wetterstation ... 160  7.4 ... Das Interface und seine Möglichkeiten ... 164  Kapitel 8 Software ... 167  8.1 ... Download der Firmware ... 167  8.2 ... Daten auswerten ... 176  8.3 ... Die Bausteine konfigurieren ... 183  8.4 ... Daten am Haken: einen Webhook programmieren ... 195  8.5 ... Visualisierung mit externen Dienstleistern ... 219  8.6 ... Roter Alarm: Node-RED und MQTT ... 239  Kapitel 9 Anwendungsbeispiele -- für alle etwas dabei ... 253  9.1 ... Türen, Fenster und Briefkästen überwachen ... 253  9.2 ... Ein Klassiker: die LoRaWAN-Wetterstation ... 259  9.3 ... Ist der Parkplatz noch frei? ... 261  9.4 ... Oje -- Wasser im Keller ... 265  9.5 ... Pegelmessung an einem Bachlauf ... 269  9.6 ... LoWTrack -- GPS-Positionsmeldung in einer App ... 272  Index ... 282

Leseproben

1.2    Ein Exkurs in die Technik – keine Angst vor Fachbegriffen

Endgeräte und Gateways im LoRaWAN nutzen ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren, das auf einer Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik mit der Bezeichnung LoRa basiert. Das LoRa-Protokoll ist asymmetrisch und auf die energieeffiziente Uplink-Kommunikation für Reichweiten über 10 km ausgerichtet.

Uplink und Downlink

Als Uplink bzw. als Upload wird das Senden vom Endgerät an das Netz bezeichnet. Die Datenübertragungsrate reicht von 292 Bit/s bis 50 kBit/s. Verschiedene Betriebsabstufungen bis hin zu kontinuierlicher Downlink-Kommunikation sind möglich. Letztere geht allerdings zulasten der Energieeffizienz.

Als Downlink wird das Senden von Daten an das Endgerät bezeichnet. Dies geschieht meist, um Konfigurationsparameter einzustellen.

LoRa nutzt regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM- und im SRD-Band. In Europa ist es das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa). In Nordamerika ist das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) dafür freigegeben. Die Frequenzspreizung ermöglicht eine hohe Effizienz beim Datentransfer und beim Energieverbrauch. Die Datentransferrate zum Endgerät kann durch den LoRaWAN-Netzserver je nach Bedarf angepasst werden. Dies wird als Adaptive Data Rate (ADR) bezeichnet.

Die Reichweiten erstrecken sich von 2 km in Stadtgebieten bis zu 40 km in ländlichen Gebieten. Ein weiterer Vorteil ist die Gebäude-Durchdringung, sodass auch Kellerräume erreicht werden können. Der Strombedarf in Endgeräten beträgt rund 10 mA im Betrieb und nur 100 nA im Ruhemodus. Wenn wir die Selbstentladung der Batterie vernachlässigen, ergibt sich eine Batterielebensdauer von bis zu fünfzehn Jahren.

Die Kommunikation zwischen einem Endgerät und dem Gateway erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit Datenraten von 0,3 bis 50 kBit/s. Die öffentlichen Frequenzen dürfen nicht überlastet werden, deshalb sollen LoRa-Knoten (engl. Nodes) möglichst nicht mehr als eine Nachricht pro ca. 5 Minuten senden. Dies schränkt den Einsatz als Realtime-Anwendungen natürlich ein.

Abbildung 1.6     Maschennetz vs. Sternnetz

Im Gegensatz zum maschenförmigen Netz bei Wi-Fi und Bluetooth ist die LoRaWAN-Architektur sternförmig. Abbildung 1.6 zeigt das Prinzip auf der rechten Seite. LoRa-Endgeräte (engl. End Devices) kommunizieren mit LoRaWAN-Gateways, die die Datenpakete an einen LoRaWAN-Server senden. Der Server verbindet sich mit hoher Bandbreite über WiFi, Ethernet oder Mobilfunk mit einem Netzwerk für IoT-Plattformen und Applikationen. Die Kommunikation im LoRaWAN ist zweifach mit 128-Bit-AES (engl. Advanced Encryption Standard) verschlüsselt: zum einen bis zum Netzserver und zum anderen bis zu den Anwendungsservern. Alle Gateways leiten die Daten aller Endgeräte in Reichweite an einen LoRaWAN-Server weiter. Ein einziges Gateway kann Tausende Devices bedienen.

Abbildung 1.7 zeigt die Architektur in der Übersicht.

Abbildung 1.7     LoRaWAN-Architektur

Das zentrale Element eines LoRaWAN-Netzwerks ist der für die Verwaltungsfunktionen zuständige Netzwerkserver (engl. Network Server). Der Join-Server (von engl. to join, für dt. beitreten) kümmert sich um die Authentifizierung der Endgeräte. In einem LoRaWAN-Netzwerk gibt es zwei Authentifizierungsmethoden:

• personalisierte Aktivierung: ABP (engl. Activation By Personalization)

• gegenseitige Aktivierung: OTAA (engl. Over The Air Activation)

Bei ABP werden eine Geräteadresse und ein Session-Key fest vergeben. Bei OTAA führt das Endgerät eine Beitrittsprozedur (engl. Join) durch. Der Anwendungsserver (engl. Application Server) ist für die Weiterleitung aller vom Netzwerkserver empfangenen Pakete an die zugehörige Anwendung zuständig. In der anderen Richtung leitet er Nachrichten aus der Applikation an den Netzwerkserver weiter. Die Kommunikation zwischen den Servern erfolgt über das IP-Netzwerk per Ethernet, drahtlos per WiFi oder über den Mobilfunkstandard LTE (engl. Long Term Evolution).

Jedes LoRaWAN-Modul verfügt über mindestens einen LoRa-Chip sowie über eine Antenne, die für die Datenübertragung über weite Strecken optimiert wurde. Durch den sternförmigen Aufbau des LoRaWAN-Netzwerks ist sichergestellt, dass jeder Endpunkt über ein Gateway direkt mit dem Netzwerk verbunden ist. In diesem Netzwerk verteilt der zentrale Server die übermittelten, einzigartigen Endgeräte-IDs (EUI, engl. Extended Unique Identifier) und die Nutzdaten (engl. Payload) an die jeweilige Anwendung (engl. Application). Mit den eindeutigen IDs lassen sich alle Sensoren, Aktoren sowie Peripheriegeräte voneinander unterscheiden und die Daten lassen sich den richtigen Anwendungen zuordnen.

Die LoRaWAN-Spezifikation kennt drei Geräteklassen (siehe Abbildung 1.8). Grundsätzlich müssen alle Knoten der Klasse A entsprechen – Klasse B und Klasse C sind Erweiterungen der Spezifikation von Klasse A.

Abbildung 1.8     Geräteklassen der LoRaWAN-Spezifikation

• In der Klasse A findet eine bidirektionale Kommunikation zwischen einem Endgerät und dem Gateway statt. Die Übermittlung von Sensordaten (Uplink) ist jederzeit möglich. Danach öffnet das Gerät zwei Zeitfenster (RX1-Delay und RX2-Delay) und ermöglicht die Übermittlung von Werten (z. B. Konfigurationsdaten) vom Server an das Modul (Downlink). Die Geräte der Klasse A senden entweder regelmäßig entsprechend ihrer Konfiguration oder ereignisgesteuert beim Über- oder Unterschreiten bestimmter Schwellenwerte. Danach gehen sie batteriesparend in einen Power-down-Modus bis zur nächsten Übermittlung.

• Die erste Erweiterung der Klasse A ist die Klasse B. Hier werden in der Kommunikation periodische Empfangsfenster hinzugefügt. Das Gateway sendet alle 128 Sekunden ein kurzes Funktelegramm, ein sogenanntes Beacon (für dt. Funkbake). Durch den Empfang dieses Beacons können sich die Geräte mit dem Gateway synchronisieren. Das gesamte Zeitfenster für die Kommunikation wird als Beacon-Periode bezeichnet und die Zeit für den möglichen Downlink-Empfang wird Ping-Slot genannt. Nach dem Uplink sind auch noch die Zeitfenster gemäß Klasse A vorhanden. Im Gerät ist eine integrierte Echtzeituhr notwendig, damit es zu bestimmten Zeiten in Empfangsbereitschaft gehen kann.

• Besonders interessant sind Geräte, die der Klasse C zuzuordnen sind. Die Klasse C erweitert ebenfalls die Klasse A, indem hier ein permanentes Empfangsfenster offen gehalten wird. Die Geräte stehen ständig für Downlink-Daten zur Verfügung, das Zeitfenster schließt sich nur während einer Uplink-Übertragung. Dies ist energieaufwendig, und daher handelt es sich hier meist um Geräte, die an einer eigenen Stromversorgung hängen. Anwendungsbeispiele sind z. B. (Straßen-)Beleuchtungen, Bewässerungsanlagen, Ereignismelder, Fahrplananzeiger oder der IO-Controller, den Sie in Kapitel 4 kennenlernen: DRAGINO LT-22222-L. Tabelle 1.1 fasst die wesentlichen Informationen in einer Übersicht zusammen:

Klasse	Beschreibung	Anwendungsbeispiele

Klasse A	Das Gerät sendet Uplink-Daten, danach gibt es zwei Empfangsfenster für Downlink-Daten. Dieser Betrieb ermöglicht eine niedrige Energieaufnahme und lange Batterielaufzeit.	Alle LoRaWAN-Geräte unterstützen die Klasse A. Klasse-A-Geräte sind meist batteriebetriebene Knoten wie z. B. Fensterkontakte oder Füllstandssensoren und Leckagesensoren.

Klasse B

Zusätzlich zu den beiden Empfangsfenstern gemäß Klasse A gibt es einen Ping-Slot für den Empfang...

Über Autor(innen)

Kellner, Harry
Harry Kellner ist Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und arbeitet als Senior-IT-Spezialist bei einer großen Bausparkasse.