ELV-Modulsystem

Das System zum einfachen Experimentieren mit LoRaWAN

Mit unserem ELV-Modulsystem und unseren LoRaWAN Modulen steigen wir in die Welt von LoRaWAN ein. Mit dieser neuen Funk- und Netzwerktechnologie können stromsparend Daten über weite Entfernungen gesendet werden. Dadurch lassen sich viele Anwendungen realisieren wie z. B. GPS-Tracker an Gegenständen oder Fahrzeugen, Parkplatzsensoren oder Füllstands-Sensoren an Mülleimern oder anderen Behältnissen. Die übermittelten Daten sind dabei Ende-zu-Ende verschlüsselt.

Das Experimentierboard ELV-LW-Base stellt dabei mit dem im Funkmodul enthaltenen System-on-Chip (SoC) von STMicroelectronics die Basis-Funktionalität zur Verfügung – die Funk-Anbindung an LoRaWAN. Die ELV-LW-Base enthält bereits eine Beispiel-Firmware, mit der man z. B. zwei Taster auslesen und deren Status über LoRaWAN versenden kann. Die Firmware der ELV-LW-Base kann später an andere Anwendungen und weitere aufsteckbare Module angepasst werden.

Experimentierplattform ELV-LW-Base

Das Experimentierboard ELV-LW-Base (ELV-BM-TRX1) ist die Plattform für Experimente mit LoRaWAN. Hier kann – wie aus Systemen mit Arduino oder ESP8266/ESP32 bekannt - Peripherie zum Experimentieren z. B. auf dem Breadboard angeschlossen werden. Im Gegensatz zu den anderen Systemen werden durch die Anbindung an LoRaWAN speziell für diese Funktechnologie Experimente ermöglicht.

LoRaWAN Module – Steckbare Anwendungs- und Powermodule

Das ELV-Modulsystem ist so konzipiert, dass die ELV-LW-Base als Plattform für Applikations- und Powermodule dient. Bei den Applikationsmodulen gibt es zukünftig unterschiedliche Varianten wie z. B. zur Temperaturermittlung, dem Auslesen von Tastern oder für das GPS-Tracking. Je nach Applikationsmodul gibt es eine Firmware, die zur Verfügung gestellt wird und das Verwenden dieser Module ermöglicht. Eigenes Programmieren ist somit nicht notwendig. Verschiedene Powermodule ermöglichen zudem unterschiedliche Arten der Spannungsversorgung.

Zum Flashen der Firmware stellen wir ein Tool bereit. Ein USB-Treiber für die ELV-LW-Base sowie die Firmware und Decoder-Code für TTN/ TTS ist ebenfalls zum Download erhältlich. Da die ELV-LW-Base bereits fertig aufgebaut ist, muss keine Hardware gelötet werden.

LoRaWAN gewinnt immer mehr an Popularität

Das von dem amerikanischen Unternehmen Semtech patentierte Übertragungsverfahren LoRa bzw. das Netzwerkprotokoll LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), dessen Spezifikationen von der LoRa Alliance festgelegt werden, haben in den letzten Jahren stark an Popularität hinzugewonnen.

Sie bilden die Basis für ein sogenanntes Low Power Wide Area Network (LPWAN). Damit sind hauptsächlich Sensorknoten gemeint, die energiesparend oder sogar energieautark meistens geringe Datenmengen (bei LoRaWAN 51 bis maximal 222 Bytes/Sendung) per Funk an eine entsprechende Netzwerk-Infrastruktur weiterleiten. Einen solchen Sensorknoten stellt beispielsweise unsere ELV-LW-Base dar.

LoRaWAN Anwendungsbeispiele

Nehmen wir ein einfaches Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie möchten den Temperaturverlauf in Ihrem Garten überwachen und in Intervallen von beispielsweise zehn Minuten die Temperatur an eine Gegenstelle übermitteln. Ein vorhandenes WLAN-Netzwerk im Haus wird von der Reichweite her meistens nicht ausreichen, um einen Funkempfang zu garantieren. Doch selbst wenn die WLAN-Netzwerkabdeckung vorhanden ist, ist die benötigte Energie für die Funkkommunikation recht hoch, sodass ein per Akku versorgter Sensor im Garten nicht lange betrieben werden kann, ohne ihn aufladen zu müssen oder zu wechseln. Andere Funktechnologien wie Bluetooth oder ZigBee sind zwar deutlich stromsparender, von den Reichweiten her aber ebenfalls eher begrenzt.

Hier kommt LoRaWAN ins Spiel, bei dem die Reichweiten je nach Umgebungsbedingungen im Bereich einige Hundert Meter bis einige Kilometer bis zu einer Funk-Gegenstelle (Gateway) liegen. Nicht nur den Garten, sondern ganze Landwirtschaftsbetriebe oder mit der entsprechenden Infrastruktur sogar Städte oder Stadtteile kann man so per Funk abdecken. LoRa ist dabei die physikalische (Funk-)Schicht, die für die eigentliche Funkkommunikation zuständig ist. Sie stellt ein sehr energiesparendes Sende- und Empfangsverfahren zur Verfügung.

Das ELV-LW-Base-Experimentierboard, genauer gesagt das auf dem Breakout-Board verwendete Funkmodul mit dem System-on-Chip (SoC) von STMicroelectronics, beherrscht diese Funktechnologie von Hause aus. So ist eine besonders energiesparende, genau auf diese Technologie zugeschnittene Anwendung möglich. Im Sleep-Modus verbraucht die ELV-LW-Base gerade einmal 2,5 μA bei 3 Volt. Je nach Anwendung erreicht man damit Batterielaufzeiten von mehreren Jahren. Mithilfe von Energy Harvesting kann man sogar energieautarke Sensorknoten realisieren. Der Batteriewechsel wird dann überflüssig.

LoRaWAN Gateway

Smartphones oder Laptops, die per Funk (WLAN) an das heimische Netzwerk angebunden sind, haben als Funk-Gegenstelle in der Regel einen WLAN Access Point (AP), über den sie in das Internet gelangen. Eine ähnliche Infrastruktur gibt es für LoRaWAN-Sensorknoten. Ihre Funk-Gegenstelle heißt in der LoRaWAN-Terminologie Gateway. Das Gateway dient zum Empfang der Daten per Funk vom Sensorknoten (Uplink) bzw. in selteneren Fällen zum Senden von Daten (Downlink) an den LoRaWAN-Sensorknoten, der auch als End-Device bezeichnet wird. Man benötigt also zwingend ein Gateway für die Funk-Kommunikation mit dem End-Device.

Bei LoRaWAN gibt es zudem drei Klassen von End-Devices (A, B, C), die sich in ihren Sende- und Empfangseigenschaften unterscheiden. Die energiesparendste Variante ist der Class-A-Sensorknoten. Die ELV-LW-Base stellt genau einen solchen Class-A-Sensorknoten dar.

Funk zum Netzwerk

Unser Temperatursensor im Garten aus dem obigen Beispiel kann damit die Daten sehr stromsparend per Funk (LoRa) an ein Gateway senden. Ähnlich wie beim oben erwähnten WLAN Access Point, der die per Funk vom Smartphone oder Laptop empfangenen Daten zunächst an den heimischen Router und von dort in das Internet sendet, geschieht dies bei LoRaWAN.

Hierzu kommt die zweite Schicht ins Spiel, die auf der Funkschicht (LoRa) aufsetzt. Mit LoRaWAN gibt es ein Netzwerkprotokoll, das sich um die Organisation der Sensorknoten und deren Daten kümmert. Das Gateway ist dazu mit dem Internet verbunden, über die es eine LoRaWAN-Netzwerkinfrastruktur ansprechen kann. Von hier können die Daten dann an eine Webseite oder einen eigenen Server gesendet und weiterverarbeitet werden.

Weiterführende Informationen und ein FAQ finden Sie auch auf unser Infoseite zu LoRaWAN und dem ELV-Modulsystem.