Idee, Projektorganisation: Andreas Döpkens
+ Kognitive Realisierung: Brian Schüler (Programmierung), Prof. Dr. Martin von Löwis, Prof. Dr. Christian Forler
Smarte IoT Applikationen auch dann, wenn keine WLan Infrastruktur vorhanden ist - geht das?
In unserem acaMail-Projekt wurde eine typische IoT-Anwendung realisiert, in der Besitzer von Briefkästen oder Postfächern per Email über den Inhalt informiert werden. Verwendet wird ein SoC Mikrocontroller, der über WLan eine Push-Notification an einen Server schickt, der wiederum den Besitzer des Briefkastens auf dem Laufenden hält. Hierfür ist jedoch die unmittelbare Existenz eines WLan-Netzes erforderlich. Das ist in vielen großen Gebäuden der Fall, wie z.B. an Hochschulen. Möchte man die acaMail-Anwendung als Smart-Home-Application auf typische Wohngebäude übertragen, funktioniert der Aufbau aber in den meisten Fällen nicht mehr. Wenn auch die überwiegende Anzahl von Wohnungen in einem Mehrfamilien-Wohnhaus in der heutigen Zeit schon über einen WLan-Access-Point verfügen dürfte, ist die Reichweite bis zu den Briefkästen dennoch ungenügend. Das acaMail-Projekt könnte in solchen Häusern erst dann eingesetzt werden, wenn Hausbesitzer sich zur Installation eines globalen, sich über den gesamten Treppenhausbereich erstreckenden WLan-Hotspots entschließen würden. Davon kann man aber derzeit nicht ausgehen. Damit einzelne Mieter aber jetzt schon in den Genuss eines Dienstes wie den von acaMail kommen können, ist eine singuläre Lösung erforderlich. Eine solche Lösung trägt den Namen LoRaWan. In unserem acaMail-LoRa IoT Projekt machen wir im PSE-Labor von dieser Technologie Gebrauch.
Wie funktioniert LoRaWan? Welche Anforderungen gelten für seinen Einsatz?
Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzwerkprotokoll, das für diejenige IoT-Kommunikation entwickelt wurde, bei der es nicht auf hohe Bandbreite und auch nicht auf schnelle Übertragungsgeschwindigkeit ankommt. So können mit LoRaWan keine Bilder einer Überwachungskamera übertragen werden, wohl aber die einfachen Zustände von binären Sensoren, wie z.B. für einen digitalen Bewegungssensor, der Auskunft darüber gibt: ja, es befindet sich eine Person im Raum, oder nein, alles ist ruhig. Die für LoRaWan-Aufgaben verwendeten Sensoren sind an Microcontroller basierten LoRaWan-Endknoten angeschlossen, die für die Übertragung der Sensordaten (anstelle des Wifi-Protokolls) das LoRaWan-Protokoll verwenden. Empfänger der Sensordaten ist ein LoRaWan-Gateway, das sich problemlos bis zu mehreren Kilometern Entfernung (2 km Stadtgebiet, 15 km Vororte, 40 km ländliche Gebiete) befinden kann. Das LoRaWan-Gateway reicht die Daten ins Internet an einen Netzwerkserver weiter. Dieser verfügt über Schnittstellen, um an IoT Plattformen und Applikationen angebunden zu werden, und sorgt somit dafür, dass bestimmte Personen mittels einer Email über den Aufenthalt von Personen im Radius des Bewegungssensors informiert werden. Oder wie in unserem acaMail-Projekt, ob Post eingeworfen wurde oder nicht.
"Ein großer Vorteil von LoRaWan ist die Durchdringung von Gebäuden, da hier auch zu einem gewissen Grad unterirdische Räumlichkeiten versorgt werden können. Der Stromverbrauch von Endgeräten beträgt rund 10 mA und 100 nA im Ruhemodus. Das ermöglicht je nach Anwendungsfall eine Batterielebensdauer von 2 bis 15 Jahren. Die Kommunikation zwischen den Endgeräten und den Gateways erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Diese liegen zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s." (Wikipedia)
acaWan LoRa-Server
Ein LoRa-Server namens acaWan sorgt im PSE-Labor für die LoRaWan-Infrastruktur.
Beim LoRa-Server handelt es sich um den Netzwerk-Server-Dienst, der für die Verwaltung des Status der aktiven Knoten innerhalb des Netzwerkes zuständig ist. Er unterstützt Class-A und Class-C und kann auf allen ISM-Bändern betrieben werden, wie in den "LoRaWAN-Regionalparametern" angegeben.
Der LoRa-Server besteht aus verschiedenen Komponenten, um eine hohe Flexibilität für LoRaWan-Anwendungen zu gewährleisten. Das sind:
Die LoRa-Gateway-Bridge
LoRa-Gateway-Bridge abstrahiert das UDP-Protokoll, das die meisten Gateways in JSON über MQTT verwenden. Sie können empfangene LoRaWAN-Frames überwachen oder LoRaWAN mit jedem MQTT-Client senden.
LoRaWan Go Library
Mit der LoRaWAN-Go-Bibliothek werden LoRaWAN-Frames codiert und entschlüsselt. Sie übernimmt die Verschlüsselung / Entschlüsselung, Validierung des Message-Integrity-Codes und stellt alle ISM-Banddefinitionen bereit.
LoRa-App-Server
Der LoRa-App-Server ist der Benutzer, der einen bestimmten Dienst benutzt. Er ist verantwortlich für die Verwaltung beteiligten Knoten. Er bietet eine benutzerfreundliche Weboberfläche zur Verwaltung von Benutzern, Anwendungen und Knoten.
(s. www.lora-server.io)
Die verwendete acaWan-Hardware im PSE-Labor
Für unser erstes LoRaWan-Projekt, das ist das acaMail-LoRa IoT Gadget, haben wir uns für folgende Hardware entschieden. Der LoRaWan-Endknoten im Briefkasten ist ein LoPy von der Firma PyCom, das mit diesem Endknoten kommunizierende Gateway ist ein LoRa-Hat mit Raspberry Pi. Aufgrund des rasant sich in diesem Bereich entwickelnden Marktes gehen wir davon aus, dass es langfristig nicht bei diesen Komponenten bleiben wird, aber uns erscheinen diese beiden Komponenten derzeit eine gute Wahl um erst einmal zu beginnen.
Bachelor-Abschlussarbeit im Studiengang Technische Informatik
Als Alternative für unser derzeit im Einsatz befindendes Gateway, bestehend aus LoRa-Hat mit Raspberry Pi (s.o.), möchten wir den auf Arduino basierten "Dragino", der als Gateway nur auf der physikalischen Ebene die LoRa-Datenkommunikation beherrscht, zu einem vollwertigen LoRaWan-Gateway ausbauen, um mit dieser erweiterten Funktionalität auch auf Web- und Application-Server zugreifen und somit flexiblere Anwendungen im LoRa-Bereich realisieren zu können. Wenn du Lust auf diese Netzwerk spezifische Bachelorarbeit hast, wende dich an Prof. Dr. Christian Forler.
acaWan: Ein übergeordnetes LoRaWan-Netz auf dem Beuth-Campus aus dem PSE-Labor
Wir haben die oben beschriebene Problematik, dass smarte IoT-Anwendungen entweder auf eine vorhandene WLan-Infrastruktur angewiesen oder auf LoRaWan ausweichen müssen, zum Anlass genommen, ein LoRaWan-Netz im PSE-Labor (Haus Bauwesen) aufzubauen. Dieses möchten wir gerne für den gesamten Campus der Beuth-Hochschule zur Verfügung stellen. Jeder kann es mitbenutzen (d.h. jeder kann einen LoRa-App-Server schreiben, s.o.), wenn er dafür eine geeignete Anwendung hat, die der Lehre oder dem Laborbetrieb von Nutzen ist. Was ein wirklicher Nutzen und was Spielerei ist, sei dabei zunächst unerheblich - wichtig ist der Einsatz und das Auseinandersetzen mit einer neuen Technologie, die es verdient, durch eine breite Anwendung so oft wie möglich wahrgenommen zu werden.
Wie scbon gesagt, sind wir im Rahmen von acaWan-LoRa Iot im PSE-Labor derzeit damit beschäftigt, unser diesbezügliches acaMail-Vorhaben mit dem Schreiben eines acaMail-Lora-App-Servers so zu erweitern, dass prinzipiell auch Briefkästen oder Postfächer erreicht werden können, die sich außerhalb einer WLan-Infrastruktur befinden. (Da sich jedoch sämtliche Briefkästen und Postfächer an der Beuth innerhalb eines gut funktionierenden WLan-Netzes befinden, kann dieses Vorhaben kaum mehr dienen als einem allgemeinen akademischen Interesse.)
Weitere von uns geplante acaWan-LoRa Projekte sind "acaDoors-Lora" für die Überwachung unserer Laborräume sowie "acaWeather-Lora" zur Inbetriebnahme einer Wetterstation. Unsere Räume sind sehr unübersichtlich verteilt, und wir möchten hinsichtlich temporär notwendiger Türschließungen gerne wissen, ob sich noch Personen in den Räumen aufhalten, ohne dafür jedesmal den Raum persönlich aufsuchen zu müssen. Hierfür wollen wir eine Personenzähleinrichtung an den Türen mit Bewegungsmeldern koppeln, um diese Information zu gewinnen. Wir versprechen uns durch diese Maßnahme ein gleichsam für uns Mitarbeiter entspannteres und noch servicefreundlicheres Arbeiten von Studierenden in unseren Räumen. Die Wetterstation hat keinen unmittelbaren Nutzen für uns selbst, aber wie würden uns freuen, wenn ein anderes Labor an der Beuth die anfallenden Daten gebrauchen kann.
Wir gehen davon aus, dass es noch viele weitere LoRaWan-Problemlösungen an der Beuth gibt. Diese müssen nicht alle aus dem PSE-Labor stammen, und wir würden uns freuen, wenn andere Personen an der Beuth sich unserem acaWan-LoRa Vorhaben anschließen und unsere Infrastruktur mit benutzen würden.