LoRaWAN für IoT-Anwendungen

Die unabhängige Funktechnologie spielt aktuell eine wesentliche Rolle bei der Datenkommunikation in Internet-of-Things (IoT)-Architekturen. Auch für Stadtwerke ist LoRaWAN in vieler Hinsicht attraktiv.

Das Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) zählt zur Familie der Low Power Wide Area Networks (LPWANs). „In beiden Fällen ist der Name Programm“, sagt ZENNER-Geschäftsführer Sascha Schlosser. Sein Unternehmen nutzt die LoRaWAN-Technologie seit 2016 zur Entwicklung von Fernauslesesystemen für Wasser-, Wärme- und Kältezähler sowie für Heizkostenverteiler, Rauchwarnmelder und andere Sensoren und realisiert bereits erste konkrete Projekte. Tatsächlich zeichnet sich die Technologie durch hohe Reichweiten, sehr gute Gebäudedurchdringung und sehr geringen Energieverbrauch der Endgeräte aus. „All dies sind zentrale Vorteile, wenn in IoT-Projekten Daten aus batteriebetriebenen Endgeräten in Backendsysteme und umgekehrt Steuerbefehle an Geräte im Feld effektiv und effizient übermittelt werden sollen“, so Schlosser.

LoRaWAN ist ein Protokoll zur Übertragung von kleinen Datenmengen. Diese Limitierung stellt jedoch bei einer Vielzahl von Überwachungs- und Steueraufgaben im Umfeld von Stadtwerk und Kommune kein Problem dar: Bei typischen Anwendungen wie Zählerfernauslesung, Straßenbeleuchtungssteuerung, Parkraumbewirtschaftung, Abfall-Management, Tracking und Umwelt-Monitoring (etwa Luft- und Wasserqualitätsmessung) müssen per se nur kleine Informationspakete übertragen werden. Nicht geeignet ist LoRaWAN dort, wo umfangreiche Echtzeitdaten zu übermitteln sind, wie etwa bei der registrierenden Leistungsmessung bei Stromkunden, oder wo extrem große Datenmengen anfallen (Videoüberwachung etc.). LoRaWAN nutzt in Europa lizenzfreie Frequenzbänder im Bereich von 868 MHz. Das heißt, es fallen keine Lizenzkosten für die Nutzung an. Quasi jeder kann ein solches Netzwerk selber aufbauen und betreiben. Diese Unabhängigkeit von anderen Technologieanbietern und Funknetzbetreibern genießt bei vielen Unternehmen hohe Wertschätzung. Weiterentwickelt wird LoRaWAN von den Mitgliedern der LoRa Alliance. Weltweit arbeiten mehr als 500 Unternehmen in dem Konsortium mit, darunter die ZENNER International GmbH & Co. KG. Jeder Nutzer kann sich dort aktiv einbringen und selbst mitgestalten. Geräte und Lösungen können durch die LoRa Alliance zertifiziert werden.

Die LoRaWAN-Funktechnologie bietet zahlreiche Vorteile für den Aufbau von IoT-Architekturen. Foto: ZENNER International

Kostenvorteile bei Investitionen und Betrieb

Als weiterer wichtiger Vorteil gilt die Wirtschaftlichkeit der LoRaWAN-Technologie. Dies liegt daran, dass die Infrastruktur schlank ist, schnell implementiert werden kann und sich gut skalieren lässt. Die Architektur des IoT-Systems basiert generell auf vier Bestandteilen beziehungsweise Lösungsbereichen: Endgeräten mit LoRaWAN-Modul, Gateways für das Einsammeln und Weiterleiten der Daten, einer Datencloud mit IoT-Plattform als Backend sowie Applikationen zur Visualisierung der Daten, Steuerung von Anwendungen etc.. Eine Analyse des Netzwerkspezialisten TalkPool, der die LoRaWAN-Infrastruktur mit einem Wireless M-Bus-System verglich, belegt den Kostenvorteil. Betrachtet wurden 80 Gebäude mit insgesamt 2.000 Wohneinheiten und durchschnittlich fünf Sensoren pro Wohnung. Bei den Investitionskosten schnitt LoRaWAN um ein Vielfaches günstiger ab. Überdies können LoRaWAN-Netzwerke sehr günstig betrieben werden. Das hängt auch mit der Energieeffizienz der batteriebetriebenen Endgeräte zusammen. Strom wird nur in dem Moment verbraucht, wenn Sensoren beziehungsweise Aktoren zeit- oder ereignisgesteuert Daten mit dem Backend austauschen. Ansonsten „schlafen“ die Geräte. Im Aktivitätsmodus wird wiederum nur so viel elektrische Leistung für das Sendesignal in Anspruch genommen, wie für die Erreichbarkeit des nächsten Gateways maximal erforderlich ist. Durch diesen sparsamen Energieverbrauch werden Batterielaufzeiten von bis zu zehn Jahren und mehr erreicht. Das wirkt sich auch auf die Wartung positiv aus: Nur im Störfall, der bei ausbleibendem Datenaustausch unmittelbar zu erkennen ist, und beim Batteriewechsel – der Ladezustand wird im Backend angezeigt – muss ein Monteur vor Ort tätig werden.

Sichere Kommunikation

Ein weiterer wichtiger Aspekt im Zeitalter der Digitalisierung ist die Sicherheit. Bei LoRaWAN werden die Daten grundsätzlich verschlüsselt übertragen. Die Basis liefern hierfür die Standards der LoRa Alliance, die auf standardisierte Verfahren setzen. Der Application-Session-Key wird zur Verschlüsselung der Nutzlast eingesetzt. Der Network-Session-Key wiederum dient zur Berechnung des Message Integrity Codes. Damit wird festgestellt, ob es sich wirklich um eine Nachricht vom jeweiligen Gerät handelt, die unterwegs nicht manipuliert oder durch Übertragungsfehler verändert wurde. So ist die eindeutige Kommunikation von Messwerten und Steuersignalen zwischen jedem Endgerät und dem LoRaWAN-Server gewährleistet.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Sicherheit ist der Umstand, dass die Kommunikation zwischen den Endgeräten und den LoRaWAN-Gateways nicht IP-basiert ist (erst ab dem Gateway). Hacker-Angriffe auf Endgeräte mit IP-Adresse sind hier somit nicht zu befürchten. Auch der Datentransfer gilt als höchst robust, weil LoRaWAN dank breitbandiger Signalübermittlung sehr resistent gegenüber Störstrahlung ist.

Zentraler Sammler von Daten aus Endgeräten ist in diesem Prozess die LoRaWAN Gateway-Box. Diese gibt es in zwei Ausführungen: einmal in der Ursprungsform für restriktionsfreie Indoor- und Outdoor-Anwendungen. Überdies hat ZENNER mit dem CLS-Gateway einen Gerätetyp entwickelt, der in intelligente Messsysteme eingebaut werden und dann über das streng gesicherte Smart Meter Gateway (SMGW) mit dem Backend externer Marktteilnehmer kommunizieren kann. Sascha Schlosser: „Das CLS-Gateway ist der technische Schlüssel zu Mehrwertdiensten und neuen Geschäftsmodellen, die viele Stadtwerke nach dem Rollout-Start für intelligente Messsysteme realisieren wollen“.

Welchen Weg Stadtwerke bei der Lo- RaWAN-basierten Datenkommunikation beschreiten – ob „einfach“ oder über die CLS-Schnittstelle des SMGW – bleibe dabei der individuellen Unternehmensstrategie überlassen. Grundsätzlich sei es beispielsweise problemlos möglich, kurzfristig ohne Smart Meter Gateway-Nutzung zu starten und später die Datenkommunikation ganz oder teilweise umzubetten.

Mit Starterpaketen, die ZENNER für verschiedene Anwendungen zusammengestellt hat, erhalten Stadtwerke und Kommunen die Möglichkeit, quasi ad hoc mit dem Aufbau intelligenter End-to-End-Lösungen zu beginnen. Dabei unterstützt das Saarbrücker Unternehmen die Projektarbeit in allen Phasen mit seinem Know-how. Für mehrere Anwendungsfälle stehen vorkonfigurierte IoT-Lösungen zur Verfügung:

• Mehrspartenauslesung von Verbrauchszählern
• Submetering
• Überwachung von Ortsnetz- Trafostationen
• Füllstandüberwachung von Abfallbehältern
• Auslesung von Schachtzählern.

„Durch die Digitalisierung bieten sich immer mehr Möglichkeiten, bestehende Prozesse und Arbeitsabläufe einfacher und schneller zu machen“, sagt ZENNER-Geschäftsführer Sascha Schlosser. „Mit unseren Lösungen können Stadtwerke schon heute auf einfachem Wege das IoT-Zeitalter einläuten.“ Er ist überzeugt: Es lohnt sich schnell zu sein, denn Kostenvorteile seien schließlich Wettbewerbsvorteile.

Kontakt: ZENNER International GmbH & Co. KG, Sascha Schlosser, 66121 Saarbrücken, Tel. +49(0)681-99676-0, info@zenner.com

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