Eine Topologie IoT mit LoRa ist auf den ersten Blick komplizierter aus ein einfaches Szenario im heimischen WLAN. Schrittweise wird hier der Aufbau und das Zeichnen einer Topologie erklärt. Als Fallstudie (Anwendungsbeispiel in der Wirtschaftsinformatik) wird die Anbindung eines smarten Bodenfeuchtesensors gewählt.
30.11.2022
Was ist IoT?
IoT heißt Internet of Things und ist eine Denkweise (Paradigma) für über das Internet verknüpfte Sensoren und Aktoren – also Dinge. Im einfachen Fall sind Sensoren (z.B. basierend auf einem ESP32 oder Raspberry Pico W) und Empfänger (Smartphone) im eigenen WLAN mit einander verbunden. Eine detailliertere Darstellung von IoT finden Sie in einem eigenen Beitrag.
Was ist LoRa?
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist eine energieeffiziente Übertragungstechnik über Funk. Der Frequenzbereich liegt um 686 MHz, das ist die mittlerweile freigegebene ehemalige Frequenz für Video und Mikrofone für Veranstaltungstechnik. LoRa erlaubt die Übertragung von kleinen Datenpaketen über große Reichweiten und kann von jedem lizenzfrei genutzt werden. LoRa ist somit für z.B. Temperatursensoren geeignet, aber nicht für Bilddaten oder Videostreams.
Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) ist ein Netzwerk (Network), das im Schwerpunkt LoRa zur Datenübertragung über weite Strecken (Wide Area) nutzt. Ein LoRaWAN-Netzwerk weist oft eine sternförmige Topologie auf. Darin gibt es einen zentralen Netzwerk-Server, über den Sensoren, Aktoren und Anwendungen auf Endgeräten miteinander verbunden sind. LoRaWAN-Empfänger, die die von Sensoren empfangenen Daten über andere Datennetze (Internet) an den zentralen Server weiterleiten, heißen Gateways. Mobilfunkanbieter betreiben auch LoRaWANs, bei der Telekom trägt das die Markenbezeichnung LTE-M. Vergleichbare Technologien mit ähnlichem Anwendungsspektrum sind NB-IoT (NearBand-IoT der Telekom), Sigfox, RPMA, Weightless, Wi-Fi HaLow und Mioty.
Ein freies LoRaWAN ist das TTN (The Things Network)
Was ist TTN?
Das TTN (The Things Network) ist ein globales, offenes, kostenloses und dezentrales LoRaWAN. Die Initiative The Things Network startete in 2015 durch die Kickstarter-Kampagne der beiden Niederländer Wienke Giezeman und Johan Stokking. Das TTN besteht aus einen Netzwerk-Server im Internet und vielen TTN-Gateways, die meist von Privatpersonen betrieben werden. Knapp 2950 Gateways sind in Deutschland derzeit aktiv (Abb. 1). Jeder darf frei alle Gateeways udn den Server für eigene Sensoren nutzen. Die Entwicklung der TTN-Netzabdeckung ist regional unterschiedlich. So gibt es beispielsweise in Willich am Niederrhein nur zwei Gateways (Abb. 2), eins davon betrieben über ein Bienenprojekt der Hochschule Niederrhein und der clabremo GmbH
Abb. 1: Gateways in Deutschland
Abb. 2: Viele Endknoten, aber nur zwei Gateways in Willich
Die Fallstudie – Bodenfeuchtesensoren im Internet
Aufbau des Szenarios
Im Folgenden ist eine derzeit noch fiktive Situation beschrieben, mit der dann schrittweise die Konstruktion einer Topologie gezeigt wird. Dazu sind einzelne Textteile mit Nummern in Klammern gekennnzeichnet. Die Nummern dienen dann dem schrittweisen Aufbau.
Internet-Anwendung
Kern des Szenarios ist eine Internet-Anwendung auf einem Webserver, der über einen Provider wie Domainfactory an das Internet angeschlossen ist (1). Auf die Internet-Anwendung kann mit dem Browser zugegriffen werden, z.B. von einem Smartphone aus. Der Zugang wird, wenn von unterwegs, über Mobilfunk stattfinden (2). Die einfache Internet-Anwendung ist in der Programmiersprache PHP geschrieben (index.php), die Daten liegen in einer SQLite-Datenbank. Die Bodenfeuchte-Daten werden von einem Webservice (uploadWS.php) entgegengenommen und direkt in die Datenbank geschrieben (3).
Netzwerk-Anbindung der Sensoren
Die smarten Sensoren sind zum einen WLAN-fähig, zum anderen beherrschen Sie die LoRa-Technik und können mit dem TTN-Netzwerk, heißt, mit einem der TTN-Netzwerk-Server, kommunizieren (4).
Dazu gibt es ein Programm auf dem Webserver mit Namen webhook.php. Das Programm kann der TTN-Server ansprechen und die Bodenfeuchte-Daten dahin weiterleiten. Die Kommunikation mit dem TTN-Netzwerk erfolgt über vorhandene Gateways. Die Gateways sind über LAN oder WAN und einem Router mit dem Internet verbunden und können so mit den TTN-Gateways kommunizieren(5).
Aufbau der smarten Sensoren
Die smarten Sensoren bestehen aus den eigentlich analogen Bodenfeuchte-Sensoren, einem Microcontroller und einem LoRa Sender.
Die Bodenfeuchte-Sensoren sind kapazitive Sensoren, die die Bodenfeuchte analog als Pulsbreitenmoduliertes Signal ausgeben. Durch ein RC-Netzwerk wird daraus eine geglättete analoge Spannung.
Die analoge Spannung wird von einem Microcontroller ESP32 mit seinem analogen Eingang (ADC) ausgewertet und in eine Zahl zwischen 0 und 100 umgerechnet. Der ESP befindet sich etwa eine Stunde im Tiefschlaf, wacht dann kurz auf und überträgt die Daten mithilfe des angeschlossenen LoRa-Senders. Als LoRa-Sender kommt ein Modul RFM95W zum Einsatz, das mit einem LoRa-Gateway kommunizieren kann (6).
Die Topologie in Schritten
Die nummerierten Schritte entsprechen den Zahlen in Klammern der o.a. Szenariobeschreibung. Die letzte Grafik (Abb. 8) ist dann die Topologie für das gesamte Szenario. Die Abb. 3-4 dienen nur dazu, die schrittweise Entwicklung zu zeigen.
Eine wie hier gezeigte Topologie heißt in der Sprechweise des BSI-Grundschutzes Informationsverbund und ist die Basis eines IT-Sicherheitskonzeptes.
Abb. 3: Schritt (1) Internet-Anwendung
Abb. 4: Schritt (2) Web-Zugriff der Nutzenden
Abb. 5: Schritt (3) Programme und Datenbank
Abb. 6: Schritt (4) LoRa und TTN
Abb. 7: Schritt (5) Gateways
Abb. 8: Schritt (6) Der smarte Sensor in der gesamten Topologie. Diese Grafik gibt einen Eindruck der Anbindung der Bodenfeuchte-Sensoren an den Webserver über das TTN-Netzwerk.
Quellen
Das TTN-Netzwerk: https://www.thethingsnetwork.org/