Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?
LoRa ist die Funktechnik: eine Modulation, die ein schmales Signal so breit auffächert, dass es selbst unter dem Rauschen noch erkannt wird. Das bringt Reichweite und kostet Datenrate. LoRaWAN ist das Netzwerkprotokoll darüber. Es regelt, wie Geräte sich anmelden, wie die Daten verschlüsselt werden und wie sie vom Gateway zum Netzserver gelangen. Mehr dazu im Beitrag LoRa oder LoRaWAN?.
Wie ist ein LoRaWAN-Netz aufgebaut?
- Endgerät: der Zähler oder Sensor. Er sendet seine Daten per Funk, ohne einem bestimmten Gateway zugeordnet zu sein.
- Gateway: empfängt alle LoRa-Pakete in Reichweite und leitet sie über Ethernet oder Mobilfunk an den Netzserver weiter.
- Netzserver: prüft die Pakete, entfernt doppelt empfangene und verwaltet Geräte und Schlüssel. Beispiele sind The Things Network und ChirpStack.
- Anwendungsserver: entschlüsselt die Nutzdaten und gibt sie per MQTT, HTTP oder Schnittstelle an Ihr System weiter.
Die Nutzdaten sind zweifach mit AES-128 verschlüsselt: einmal für das Netz und einmal von Ende zu Ende für die Anwendung. Das Gateway sieht den Inhalt nicht.
Wie meldet sich ein Gerät an: OTAA oder ABP?
Bei OTAA (Over-the-Air Activation) schickt das Gerät eine Beitrittsanfrage mit DevEUI und JoinEUI. Der Netzserver prüft sie mit dem AppKey und vergibt neue Sitzungsschlüssel. Bei ABP (Activation by Personalization) sind die Sitzungsschlüssel fest im Gerät gespeichert. OTAA ist sicherer und der übliche Weg.
Was bedeuten die Klassen A, B und C?
| Klasse | Empfang | Stromverbrauch | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| A | nach jedem Senden zwei kurze Empfangsfenster | sehr gering | batteriebetriebene Sensoren, Wasserzähler |
| B | zusätzlich Empfangsfenster nach Zeitplan | gering | Geräte, die zu festen Zeiten Befehle erhalten |
| C | Empfang fast dauernd offen | höher | netzgespeiste Geräte wie Stromzähler |
Welche Reichweite hat LoRaWAN?
Im Freien sind mehrere Kilometer üblich, auf dem Land mit freier Sicht auch deutlich mehr. In Gebäuden ist die Reichweite kürzer: Betondecken, Metalltüren und Zählerschränke dämpfen das Signal stark, Untergeschosse sind oft am schwierigsten. Ein Gateway im Gebäude oder eine externe Antenne am Zähler löst das meist.
Wie weit ein Paket kommt, bestimmt auch der Spreizfaktor, SF7 bis SF12. Ein höherer Spreizfaktor reicht weiter, braucht aber länger für die Übertragung und damit mehr von der begrenzten Sendezeit. Mit ADR (Adaptive Data Rate) wählt der Netzserver für jedes Gerät den kleinsten Spreizfaktor, der noch zuverlässig ankommt.
Warum liefert LoRaWAN keine Sekundenwerte?
Im Band EU868 darf ein Gerät in den meisten Teilbändern höchstens 1 % der Zeit senden. Bei hohem Spreizfaktor kann ein einzelnes Paket über eine Sekunde dauern, entsprechend lang ist die Pause danach. Für Zähler ist das kein Nachteil: Ein Wert alle 15 Minuten reicht für Abrechnung und Lastgang.
Ein LoRaWAN-Paket ist zudem nur wenige Dutzend Byte gross und binär codiert. Damit aus den Bytes Zählerstände werden, braucht der Netz- oder Anwendungsserver einen Decoder für das jeweilige Gerät. Wie das geht, zeigt der Beitrag LoRa-Payload decodieren.
LoRaWAN mit Geräten von EMU
Der Stromzähler EMU Professional II mit LoRa arbeitet nach LoRaWAN 1.0.3 in Klasse C, meldet sich standardmässig per OTAA an und sendet alle 15 Minuten Bezug und Lieferung je Tarif. Es gibt ihn mit interner Antenne oder zusätzlich mit SMA-Anschluss für eine externe Antenne.
Für The Things Network gibt es eine Gerätevorlage, den Decoder stellen wir auf GitHub bereit. Die Anleitung steht unter EMU Professional II LoRa in The Things Network. Wer keinen eigenen Netzserver betreiben will, empfängt die Werte direkt in Joulio-Web mit integriertem Netzserver.