Was ist dieses LoRaWAN?

Im Januar 2022 gab unsere Smart City Pforzheim bekannt, dass das LoRaWAN in der Stadt erweitert wurde. Die Stadt Pforzheim ist damit weiter auf dem Weg in Richtung Smart City, um die Lebensqualität innerhalb der Stadt zu verbessern. Von manchen eher etwas negativ betrachtet, liefert das LoRaWAN jedoch smarte Möglichkeiten, um die Stadt zu einem (zumindest technisch) besseren Ort zu machen.

Zurecht darfst du dich nun an dieser Stelle fragen, was ist LoRaWAN? Denn so vielversprechend diese Technologie auch ist, sie scheint bislang eher etwas unter dem Radar zu laufen. Dabei kann es für jeden smarten Enthusiasten nur interessant sein, was daraus entsteht und wie Städte diese Technologie nutzen können.

Lass uns in diesem Artikel gemeinsam auf das LoRaWAN blicken. Ich habe mich für dich auf Spurensuche begeben und möchte gemeinsam mit dir etwas Neues dazulernen. Aus diesem Grund wird dieser Artikel nicht nur eine Übersicht, sondern auch ein eigenes Kapitel für mich, um etwas Neues zu lernen.

Falls du Anregungen zu meinem Artikel hast, hinterlasse mir gerne deinen Kommentar am Ende dieser Seite.

Was ist LoRaWAN?

Unter LoRaWAN versteht man grundsätzlich den Begriff Long Range Wide Area Network. Es ist eine Technologie, die für das Internet der Dinge entwickelt wurde (Quelle: linemetrics.com), sich also thematisch im Bereich der Vernetzbarkeit befindet. Das bedeutet für dich, dass dein Smart Home und die Smart City im Grunde miteinander verwandt sind. Beide befinden sich im übergeordneten Thema des Internet der Dinge.

Damit du noch besser verstehen kannst, was sich dahinter verbirgt, unterscheiden wir zuerst zwei Begriffe voneinander.

Auf der einen Seite findest du LoRa. Hierbei handelt es sich um einen Funkstandard, der kleine Datenmengen über eine große Distanz transportieren kann (Quelle: elektronik-kompendium.com). Zum Einsatz kommen in Europa das Frequenzband von 433,05 MHz bis 434,79 MHz sowie 863 MHz bis 870 MHz (Quelle: Wikipedia). In anderen Regionen können selbstverständlich andere Frequenzen zum Einsatz kommen.

Die andere Seite beschreibt das sogenannte LoRaWAN. Dieser Begriff umfasst den kompletten Netzwerkaufbau und damit eingeschlossen auch die Übertragung von Daten der Komponenten (Quelle: linemetrics.com). LoRa ist also ein Teil des LoRaWAN, wobei beide Begrifflichkeiten manchen synonym verwendet werden.

Wie funktioniert LoRaWAN?

Werfen wir an dieser Stelle noch einen etwas technischeren Blick auf das LoRaWAN. Denn die Architektur ist durchaus interessant.

Das Long Range Wide Area Network befindet sich auf der Ebene der Vermittlungsschicht. Diese Schicht kennst du vielleicht schon aus dem ISO/OSI-Modell, welches in nahezu jedem technischen Unterricht (zumindest in der IT) aufgegriffen wird. Es handelt sich dabei um die dritte von insgesamt sieben Schichten, die jeweils eigene Aufgaben bei der Datenübertragung übernehmen. Wir sprechen also von einer grundlegenden Art und Weise wie die Daten übertragen werden und wie das alles abläuft.

In diesem sternförmigen Netzwerk sprechen die einzelnen Endgeräte (z. B. Sensoren) mit einem sogenannten LoRa-Gateway. Dieses Gateway dient dazu, die übermittelten Daten an einen LoRaWAN-Server zu senden, welcher wiederum mit unterschiedlichen Plattformen kommunizieren kann. Es wäre demnach denkbar, dass dieser Server zum Beispiel direkt mit eurem Smart Home sprechen kann und ihr so die Daten der LoRa-Geräte nutzen könnt.

Um das Netzwerk betriebsfähig zu machen und zu halten, gibt es verschiedene Gateways. Diese können mehrfach auftreten, um so zum Beispiel weit entfernte Sensoren mit dem Server zu verbinden. Gerade in Städten kann das durchaus praktisch sein. Denkt man nur einmal an solch große Städte wie Stuttgart, München oder Berlin wird klar, die abzudeckende Fläche ist riesig!

LoRaWAN Anwendungsbeispiele

Nachdem der Begriff LoRaWAN für dich nun zumindest ein wenig klarer ist, schauen wir uns die unterschiedlichen Anwendungsbeispiele an. Ich greife hierzu auf die offizielle Mitteilung der Stadt Pforzheim (Quelle: pforzheim.de) zurück, da deren Beispiele für mich persönlich am nächsten sind.

In einem gemeinsamen Pilotprojekt zwischen der Stadt Pforzheim und der Hochschule Pforzheim werden verschiedene Anwendungsfälle getestet. Einer der Anwendungsfälle ist die Überwachung der Bäume im Stadtgebiet. Hierzu wurden die Bäume mit Sensoren ausgestattet, so dass sie ihren aktuellen Zustand an die Stadt übermitteln können. Du kennst ein ähnliches Prinzip vielleicht schon von meinen Pflanzensensoren, die ich dir in meinem Blog vorgestellt habe. Einziger Unterschied ist hierbei, dass ich Bluetooth nutze, während die Stadt auf LoRa zurückgreift.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Optimierung der Parkplätze, beziehungsweise das gesamte Parkraummanagement. Vielleicht hast du mal in Parkhäusern gesehen, dass es über jedem Parkplatz Statuslampen gibt, die anzeigen, ob der Parkplatz frei oder belegt ist. Diese Informationen können an die Stadt übertragen werden, so dass Personen ganz gezielt zu Parkhäusern geleitet werden können, wo noch Plätze frei sind. Deine lange Parkplatzsuche hat damit ein Ende, denn du kannst die Auslastung schon vor deiner Ankunft prüfen.

Das dritte LoRaWAN Anwendungsbeispiel das ich dir geben möchte, ist die Messung von Energieverbräuchen. So können Sensoren aus den unterschiedlichsten Ecken der Stadt melden, wie viel Strom gerade verbraucht wird, um zum Beispiel eine Optimierung vorzunehmen. Damit fällt auch gleich auf, wenn die Mitarbeiter in ihren Büros die Geräte zum Wochenende vergessen haben auszuschalten. 😉

LoRaWAN Gateways

Anders als so manch andere Funktechnologie, darfst du LoRaWAN selbst in Betrieb nehmen und betreiben. Die Geräte arbeiten in einem sogenannten zuteilungsfreien Frequenzbereich und unterliegen damit keiner Genehmigungspflicht oder Lizenzierungspflicht (Quelle: elektronik-kompendium.com).

Bei der Nutzung eines LoRaWAN Gateways hast du prinzipiell zwei Möglichkeiten. Es gibt auf der einen Seite sogenannte Private Networks und auf der anderen Seite Community Networks. Wie die Namen bereits verraten ist es dir so möglich, dass du eine private Installation aufbaust (Private) oder auf ein bereits vorhandenes Netzwerk (Community) zurückgreifst.

Die Preise für ein LoRaWAN Gateway variieren dabei ziemlich stark. Ähnlich wie du es bereits von Zentralen aus dem Smart Home kennst. Beispielhaft habe ich mir hierzu mal die Preise eines Online Shops angesehen. Hier beginnen die Preise bei etwa 200 Euro und gehen hoch auf bis zu 1.200 Euro. Die Preisspanne ist also schon gewaltig.

Gut zu wissen ist dabei, dass die Technologie ein Lizenz-Produkt ist. Die Semtech Corporation besitzt die Rechte, wodurch es im Grunde nur eine einzige Technologie gibt. Im Kern funktionieren damit die Gateways auf technischer Ebene gleich. Sie unterscheiden sich damit nur im Einsatzbereich (Indoor/Outdoor) und in der Optik sowie dem Einsatzort (stehend/festgeschraubt/…).

LoRaWAN Sensoren

Etwas interessanter wird es hingegen bei einem Blick auf die verfügbaren Sensoren. Ich habe mir auch hierzu wieder exemplarisch einen Online Shop angesehen (hier zu finden). Beachte dabei bitte, dass es sich nicht um eine Empfehlung handelt, sondern lediglich um eine Quellenangabe.

Schon beim ersten Blick fallen einem folgende unterschiedliche Sensoren ins Auge:

• Luftfeuchtigkeitssensor
• Präsenzsensor
• Leckage Sensor
• Geräuschpegelsensor
• Fenstersensor
• Füllstandssensor
• Temperatursensor
• Parksensor

Die Liste könnte man nun noch um viele weitere Punkte ergänzen. Doch im Kern wird dir klar sein, worauf ich hinaus will. Die Vielfalt an Sensoren ist ziemlich groß. Und das ist auch gut so, denn betrachtet man eine Smart City stellt man fest, dass es viele unterschiedliche Einsatzorte für Sensoren gibt.

Preislich gesehen gibt es weitaus günstigere Sensoren. So sind gerade im Smart Home herkömmliche Sensoren über bekannte Funkprotokolle meist etwas günstiger und dürfen sich so für dich wohl eher lohnen. Für größere Installationen oder aber ganze vernetzte Unternehmen, bietet sich LoRaWAN in meinen Augen an. Dafür nimmt man dann auch die etwas höheren Kosten in Kauf.

LoRaWAN DIY

Für all die Bastler unter euch gibt es natürlich auch großartige Nachrichten! Denn du kannst dir selbst ein eigenes LoRaWAN Gateway bauen und so diese Technologie in deinem Smart Home oder deinem Unternehmen nutzen. Hierzu gibt es grundsätzlich verschiedene Publikationen, die du im Netz finden kannst.

Ein sehr ausführliches Video zu diesem Thema, kannst du zum Beispiel bei Andreas Spiess auf YouTube finden. Er erklärt dir in englischer Sprache, wie du zu deinem eigenen Gateway kommst und worauf du achten musst. Er hat darüber hinaus eine gesamte Playlist mit insgesamt 31 Videos zusammengestellt (Stand: 18.02.2022).

Doch nicht nur engagierte Personen bieten dir im Netz Anleitungen. Sogar bei Amazon findest du eine Anleitung, wie du mit einem Raspberry Pi ein eigenes DIY-Gateway in Betrieb nehmen kannst (Quelle: Amazon Workshop Studio). Wenn es um Frequenzen geht musst du hier allerdings etwas vorsichtig sein. Denn wie bereits weiter oben erwähnt, werden in der EU andere Frequenzen genutzt.

Auch Heise hat sich diesem Thema angenommen (Quelle: heise.de) und bietet hierzu notwendige Informationen. Anders als die beiden anderen Quellen musst du hierfür jedoch Geld für die Informationen ausgeben. Wenn das für dich jedoch die bessere Option ist, kannst du gerne auch dort vorbeischauen.

LoRaWAN-Netzwerk aufbauen

Wie du sehen kannst, ist ein LoRaWAN-Netzwerk durchaus für den einen oder anderen Enthusiasten eine interessante Option. Mir zum Beispiel haben es die Parksensoren angetan. So kann man tolle Automatisierungen auslösen, wenn das Auto in der Garage steht. Gerade diese Funktion geht bislang noch über das hinaus, was mein Smart Home leisten kann.

Die Investition der eigenen Zeit in das LoRaWAN-Netzwerk – und sei es nur in der Theorie – kann sich somit lohnen. Wer in der gleichen Stadt lebt wie ich, versteht so zumindest noch besser was da im Gange ist und wofür die Technologie genutzt werden kann.

Blickt man ein wenig in die Zukunft so halte ich es keinesfalls für ausgeschlossen, dass unsere Navigationssysteme in den Autos uns künftig schon direkt in das nächste Parkhaus schicken, in dem noch ein Parkplatz für uns frei ist. Wird dieser in der Zwischenzeit belegt, schickt uns das Navi vielleicht direkt zum nächstgelegenen Parkhaus. Und auch für die Stadt selbst kann sich so einiges ergeben. Wie die Stadt Pforzheim selbst sagt, sind die Sensoren an den Bäumen durchaus hilfreich, um einen guten Moment zum Bewässern abzupassen. So spart man sich nicht nur jede Menge Aufwand und Geld, sondern kann auch ganz gezielt gießen ohne Wasser zu verschwenden.

Dass die Zukunft also smart sein wird ist keine Frage. Vielmehr wird die entscheidende Frage sein, wie wir die Technologie nutzen und wann wir damit beginnen. Beispiele aus der Praxis zeigen heute schon, dass es viele Vorteile geben kann. Man muss sie nur nutzen.

Kritik an diesem Netzwerk

Ich plädiere immer dafür, einen neutralen Blick auf Technologien zu werfen. Das gelingt mir mal besser, mal schlechter. Doch bei LoRa möchte ich es zumindest gerne versuchen. Im Zuge meiner Recherche bin ich dabei auf eine Masterarbeit gestoßen mit dem Titel Sicherheitsbetrachtungen im LoRaWAN. Die Masterarbeit wurde im Jahr 2020 an der Fachhochschule Wien vorgelegt. Ich greife daraus zwei Punkte heraus.

In der Masterarbeit wird ziemlich gut beschrieben, warum LoRaWAN durchaus seine Schwächen hat und in manchen Punkten gar nicht so gut abschneidet, wie es immer angepriesen wird. Unter anderem hängt das mit dem sogenannten Key Management zusammen. Hierbei werden die Schlüssel auf verschiedenen Servern im Netzwerk verteilt und können theoretisch zumindest damit weiter genutzt werden. Verstärkt wird das Problem dadurch, dass die Keys fest verankert sind und nicht geändert werden können. Bei einem Missbrauch wird man so vermutlich (!) das ganze Gerät austauschen müssen. (Quelle: Sicherheitsbetrachtungen im LoRaWAN, 3.1.1 Probleme des Protokolls)

Ein weiterer Punkt ist die mangelnde Trennung zwischen Netzwerkservern und Join-Servern. So hat der Netzwerkserver die volle Kontrolle über die versendeten und empfangenen Daten und könnte diese entweder verändern oder unterdrücken (Quelle: Sicherheitsbetrachtungen im LoRaWAN, 3.1.1 Probleme des Protokolls). Das führt zu Problemen bei sicherheitsrelevanten Informationen, zum Beispiel der aktuellen Temperatur einer wichtigen Maschine im Unternehmen (diese könnte evtl. überhitzen).

Deutlich zu erkennen ist damit, dass auch dieses Netzwerk nicht sicher vor Angriffen ist. Es könnten möglicherweise Änderungen am Protokoll vorgenommen werden, die das System sicherer machen. Doch nach heutigem Stand gibt es doch das eine oder andere Problem. Wie gravierend das ist, hängt sicherlich auch vom Einsatzzweck ab.