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IoT-Projekte einfach umsetzen: Wie Sie mithilfe von LoRaWAN und dem Generic-Node schnell und einfach Daten sammeln

Die Umsetzung eines IoT-Projektes muss nicht immer viel Zeit und Geld kosten, vor allem wenn es sich um einen „Proof of Concept“ handelt. Funktechnologien wie LoRaWAN können in Kombination mit preiswerten und einfach integrierbaren Sensormodulen zu schnellen Lösungen führen.

September 10, 2021

Ein Artikel von
Robin Telaar

Lesezeit: ca. 5 Minuten

Funktechnologie, Generic Node, IoT, LoRaWAN

Mithilfe von IoT lassen sich viele Arbeitsabläufe optimieren – an Ideen rund um das Thema mangelt es meist nicht. Die Hürde liegt viel eher darin, dass zu Beginn nicht planbar ist, ob sich die Umsetzung finanziell lohnen wird oder ob die erhofften Erfolgsfaktoren sich wirklich einstellen werden. Aus diesem Grund werden Ideen und potentielle Projekte oftmals nicht umgesetzt. Häufig ist noch keine bestehende Infrastruktur vorhanden oder die Einsatzbereiche befinden sich an abgelegenen, nicht einfach zugänglichen Orten, wie zum Beispiel in der Chemieindustrie oder auf Kraftwerksgeländen, wo einzelne Gebäude oder Stationen teilweise weit voneinander entfernt sein können. Das kann die Umsetzung eines schnellen „Proof of Concepts“ erschweren. Dabei können das Funkprotokoll LoRaWAN und universell einsetzbare Sensorik, wie etwa der Generic-Node, häufig schon zu den gewünschten Ergebnissen führen.

Aber was genau ist LoRaWAN und wie kann es uns, in Verbindung mit dem Generic-Node, mit geringen Kosten zu schnellen Ergebnissen verhelfen?

Was genau ist LoRaWAN?

LoRa ist ein Funkstandard, der auf lizenzfreien Funkspektren basiert. Das darauf aufbauende Protokoll nennt sich LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). LoRaWAN gehört zur Familie der LPWAN-Technologien, hierzu haben wir bereits einen Beitrag zu energieeffizienten Funktechnologien veröffentlicht. Die Vorteile von LoRaWAN liegen in der großen Reichweite und dem geringen Energieverbrauch.

Um ein LoRa-Netzwerk aufzubauen, wird zunächst ein Sensor mit einem passenden LoRa-Modul benötigt. Darüber hinaus benötigt man ein Gerät, das die ankommenden Daten aus dem Sensor sammelt und über das Internet zur Weiterverarbeitung versendet – einen so genannten Gateway. Von dem Gateway aus können nun die Daten beispielsweise in eine IoT-Plattform geschickt, um dort mit ihnen arbeiten zu können.

Mittlerweile findet man auch immer mehr öffentliche LoRaWAN-Gateways, die von Städten, Kommunen oder Privatpersonen bereitgestellt werden und zur Datenübertragung genutzt werden können. Zur Verbreitung der LoRaWAN-Netze hat die Initiative „The Things Network“ einen großen Beitrag geleistet. In diesem Rahmen ist auch „The Things Industries“ (TTI) entstanden, die einen Network Server anbieten, auf dem Gateways und Sensoren einfach verwaltet bzw. an Drittsysteme angebunden werden können. Zudem bieten sie Hardware und Dienstleistungen an. Eines der aktuellsten Hardware-Projekte ist der Generic-Node.

Was ist der Generic-Node?

Der Generic-Node ist ein von TTI entwickeltes Sensor-Modul. Es handelt sich dabei jedoch nicht nur um einen schlichten Sensor, sondern vielmehr um eine fertige Sensorplattform. Das bedeutet, der Generic-Node vereint Sensorik, Hardware zur Datenübertragung und Spannungsversorgung in einem kleinen Gehäuse. Das Projekt wurde von The Things Industries und vielen Partnern aus dem Sensorik- und Halbleiterbereich ins Leben gerufen, um die Entwicklung von IoT-Projekten einfacher zu gestalten. Indem man Hardware durch eine Abstraktionsschicht mit der Software verknüpft, ist man in der Lage die Hardware durch standardmäßige Schnittstellen anzusprechen und sich dann voll und ganz auf die Softwareentwicklung von eigenen Projekten zu konzentrieren – oder auf bereits entwickelte Lösungen aufzubauen.

Schematischer Aufbau Generic-Node-Sensor-Edition, zur Verfügung gestellt von Generic-Node.

Das Herzstück des Generic-Nodes ist der STM32WL-Microcontroller, der bereits die für LoRa notwendige Hardware beinhaltet. Es befindet sich ein Temperatur- und Luftfeuchtigkeits-, sowie ein Beschleunigungssensor auf der Platine. Mit diesen Sensoren können bereits viele Anwendungsfälle abgedeckt werden, falls jedoch noch weitere Sensoren benötigt werden, sind Schnittstellen zur Anbindung vorhanden. Die Software des Generic-Nodes kann aus der Ferne durch einen integrierten Flash-Speicher aktualisiert werden. Was den Generic-Node für viele Anwendungsfälle an abgelegenen und schlecht zugänglichen Orten interessant macht, ist der sehr geringe Energiebedarf und die hohe Reichweite von bis zu zehn Kilometern.

Inbetriebnahme des Generic-Node

Der Quellcode des Generic-Nodes ist frei verfügbar und kann somit beliebig genutzt werden. Mithilfe von kostenlosen Entwicklungsumgebungen kann mit der Hardware interagiert werden. Aktuell befindet er sich noch in der Beta-Phase, alle Infos zur Programmierung findet man in der offiziellen Dokumentation.

Wenn man den Generic-Node jetzt in Betrieb nehmen möchte, geht man wie folgt vor:

Den Generic-Node wird mit einem gewünschten Programm bespielt. Wir haben uns an die aktuelle Dokumentation gehalten und den Generic-Node mit einem Programm, beispielsweise zur Messung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit, bespielt.
Im nächsten Schritt wird die LoRaWAN-Verbindung aufgesetzt. Hierfür wird ein LoRaWAN-Gateway benötigt – oder es wird auf eins in der Nähe zurückgegriffen. Das Gateway und der Generic-Node müssen auf einem Network-Server angemeldet werden, um das LoRaWAN Netz zu managen. Hierzu kann man auf Lösungen von „The Things Industries“ zurückgreifen.
Wurden die Daten erfolgreich vom Generic-Node in den Network-Server geladen, dann bleibt nur noch die Frage offen, wo diese Daten hinsollen. Falls man bereits Zugang zu einer IoT-Plattform hat wie beispielweise die com2m IoT Plattform, eignet sich diese optimal, um die Daten zu empfangen. Für die Kommunikation kann man beispielsweise das weit verbreitete IoT-Protokoll MQTT verwenden.

Falls man keinen Zugang zu einer Plattform hat, ist das kein Problem, denn die Daten lassen sich auch ohne viel Aufwand auf kostenlose Art und Weise darstellen, zum Beispiel indem man eine Verbindung zu dem Open-Source-Datenbankmanagementsystem InfluxDB herstellt. Dabei entscheidet man selbst, wo die Daten gespeichert werden sollen. Von dort aus können die Daten in einem Visualisierungstool, wie zum Beispiel das Open Source Tool Grafana angezeigt werden.

Daten des Generic-Nodes in Grafana (Luftfeuchtigkeit, Temperatur und die Batteriespannung)

Anwendungsfälle für LoRaWAN und Generic-Node

Um potentielle Anwendungsfälle für dieses System zu finden, führt man sich am besten die Eigenschaften nochmal vor Augen:

weite Funkstrecken: Durch die hohe Reichweite kann man viele Anwendungsfälle abdecken, bei denen Daten an sehr abgelegenen Punkten erhoben werden sollen – oder an Orten, an denen sich eine kabelgebundene Lösung nicht rechnen würde. Hier bieten sich zum Beispiel Anwendungen auf Chemie- oder Kraftwerksgeländen an, bei denen bestimmte Betriebsbereiche teilweise sehr weit voneinander entfernt sein können.
geringer Energiebedarf: Oft sollen Daten an Stellen erhoben werden, an denen es keine Stromversorgung gibt oder es zu teuer wäre Strom zur Verfügung zu stellen, wie etwa in der Landwirtschaft. Durch den geringen Energiebedarf von LoRaWAN könnte man zum Beispiel bei Bodenfeuchtigkeitsmessungen auf dem Feld, optimal mit Akkus arbeiten und dabei mit langen Laufzeiten rechnen.
Unabhängigkeit: Dadurch, dass man mit LoRaWAN sein eigenes Netz aufbaut, ist man komplett unabhängig von bestehenden Netzen. Das bietet zwei Vorteile: Zum Einen ist die Eintrittshürde oft geringer, da nicht in bestehende Infrastrukturen eingegriffen werden muss und somit keine Sicherheitsbedenken entstehen. Zum Anderen funkt man mit LoRaWAN im 863-868 MHz Bereich, welcher weitaus weniger ausgelastet ist als bspw. WLAN im 2,4 / 5 GHz Bereich. Das sorgt für weniger Störungen.
geringe Kosten: Ein eigenes LoRaWAN Netz ist schnell aufgebaut, hierfür sind weder hohe Initialkosten noch hohe laufende Kosten zu erwarten.
begrenzte Übertragungsraten: Dadurch, dass man mit LoRaWAN hohe Reichweiten realisieren kann, ist man jedoch bei der Größe der Datenmengen begrenzt. Deswegen bietet sich eine LoRaWAN-Lösung in Anwendungsfällen mit geringen Datenraten an. Typische Anwendungen sind Messungen von einzelnen Parametern, die in größeren Zeitabständen erfasst werden. Zum Beispiel eine Temperatur, die jede zehn Minuten erfasst wird oder eine Bodenfeuchtigkeit, die einmal pro Stunde gemessen wird.

Mögliche Einsatzbereiche des Generic-Nodes

Detektion von Erdrutschen:

Um in Tagebaugebieten Erdrutsche frühzeitig zu erkennen, werden oft teure Systeme installiert, um auf Bewegungen aufmerksam zu machen. Dadurch, dass der Generic Node einen Beschleunigungssensor besitzt, würde er sich in einem solchen Anwendungsfall sehr gut anbieten. Er könnte an relevanten Punkten befestigt werden und so bei Bewegungen im Erdreich Alarm schlagen. Das LoRaWAN Netz wäre hier durch die weiten Funkstrecken und langen Batterielaufzeiten auch optimal geeignet.

Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung in landwirtschaftlichen Gebäuden:

In der Landwirtschaft ist der Temperatur- und Feuchtigkeitswert in Ställen oft ein interessanter Wert. Denn Temperatur und Luftfeuchtigkeit haben einen großen Einfluss auf die Tiergesundheit und somit auch auf den wirtschaftlichen Erfolg. Interessant ist die Messung jedoch auch in Gebäuden, die als Lagerstätte genutzt werden. Hier bietet sich der Generic-Node und das LoRaWAN Netz optimal an, da die Gebäude oft lokal ziemlich weit voneinander entfernt sind.

Potential der Technik

Die Verbindung von LoRaWAN mit fertigen Sensormodulen birgt großes Potential für zahlreiche Anwendungsfälle. Die Technologie bietet sich nicht nur zum schnellen Testen von Ideen sondern auch für die Umsetzung großer IoT-Projekte an.

Der Generic-Node selbst befindet sich aktuell noch in der Beta-Phase und wird sich wahrscheinlich noch erweitern. Momentan ist das Projekt noch vorzugsweise für Entwickler geeignet, jedoch sind wir gespannt, wie sich das Projekt noch entwickeln wird. Aus unserer Sicht steckt in der Idee ein sehr großes Potential, mit dem viele Probleme auf dem Markt gelöst werden können und sich IoT-Projekte viel schneller skalieren lassen.

Wenn auch Sie Unterstützung bei der Umsetzung Ihrer IoT-Projekte benötigen oder Sie mögliche Einsatzzwecke dieser Technologie testen wollen, dann werden wir Sie dabei gerne unterstützen!

Bildmaterial via unsplash.com, Generic-Node und Grafana.

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Robin Telaar ist IoT-Solution-Consultant bei der com2m.

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