{"id":3060,"date":"2022-11-30T20:58:04","date_gmt":"2022-11-30T19:58:04","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=3060"},"modified":"2022-11-30T22:49:38","modified_gmt":"2022-11-30T21:49:38","slug":"topologie-iot-mit-lora-the-things-network","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/topologie-iot-mit-lora-the-things-network\/","title":{"rendered":"Topologie IoT mit LoRa – The Things Network"},"content":{"rendered":"

Eine Topologie<\/a> 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 erkl\u00e4rt. Als Fallstudie (Anwendungsbeispiel in der Wirtschaftsinformatik) wird die Anbindung eines smarten Bodenfeuchtesensors gew\u00e4hlt.\u00a0<\/em><\/p>\n

30.11.2022<\/p>\n

Was ist IoT?<\/h2>\n

IoT hei\u00dft Internet of Things<\/strong> und ist eine Denkweise (Paradigma) f\u00fcr \u00fcber das Internet verkn\u00fcpfte Sensoren und Aktoren – also Dinge. Im einfachen Fall sind Sensoren (z.B. basierend auf einem ESP32 oder Raspberry Pico W) und Empf\u00e4nger (Smartphone) im eigenen WLAN mit einander verbunden. Eine detailliertere Darstellung von IoT finden Sie in einem eigenen Beitrag.<\/a><\/p>\n

Was ist LoRa?<\/h2>\n

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist eine energieeffiziente \u00dcbertragungstechnik \u00fcber Funk<\/strong>. Der Frequenzbereich liegt um 686 MHz, das ist die mittlerweile freigegebene ehemalige Frequenz f\u00fcr Video und Mikrofone f\u00fcr Veranstaltungstechnik. LoRa erlaubt die \u00dcbertragung von kleinen Datenpaketen \u00fcber gro\u00dfe Reichweiten und kann von jedem lizenzfrei genutzt werden. LoRa ist somit f\u00fcr z.B. Temperatursensoren geeignet, aber nicht f\u00fcr Bilddaten oder Videostreams.<\/p>\n

Was ist LoRaWAN?<\/h2>\n

LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) ist ein Netzwerk<\/strong> (Network), das im Schwerpunkt LoRa zur Daten\u00fcbertragung \u00fcber weite Strecken (Wide Area) nutzt. Ein LoRaWAN-Netzwerk weist oft eine sternf\u00f6rmige Topologie auf. Darin gibt es einen zentralen Netzwerk-Server, \u00fcber den Sensoren, Aktoren und Anwendungen auf Endger\u00e4ten miteinander verbunden sind. LoRaWAN-Empf\u00e4nger, die die von Sensoren empfangenen Daten \u00fcber andere Datennetze (Internet) an den zentralen Server weiterleiten, hei\u00dfen Gateways.<\/strong> Mobilfunkanbieter betreiben auch LoRaWANs, bei der Telekom tr\u00e4gt das die Markenbezeichnung LTE-M. Vergleichbare Technologien mit \u00e4hnlichem Anwendungsspektrum sind NB-IoT (NearBand-IoT der Telekom), Sigfox, RPMA, Weightless, Wi-Fi HaLow und Mioty.<\/p>\n

Ein freies LoRaWAN ist das TTN (The Things Network)<\/p>\n

Was ist TTN?<\/h2>\n

Das TTN (The Things Network) ist ein globales, offenes, kostenloses und dezentrales LoRaWAN. Die Initiative\u00a0The Things Network<\/i> startete in 2015 durch die Kickstarter-Kampagne der beiden Niederl\u00e4nder 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 f\u00fcr 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 \u00fcber ein Bienenprojekt der Hochschule Niederrhein<\/a> und der clabremo GmbH<\/p>\n

\"Grafik<\/a><\/p>\n

Abb. 1: Gateways in Deutschland<\/p>\n

\"Grafik<\/a><\/p>\n

Abb. 2: Viele Endknoten, aber nur zwei Gateways in Willich<\/p>\n

Die Fallstudie – Bodenfeuchtesensoren im Internet<\/h2>\n

Aufbau des Szenarios<\/h3>\n

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.<\/p>\n

Internet-Anwendung<\/h3>\n

Kern des Szenarios ist eine Internet-Anwendung auf einem Webserver, der \u00fcber 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, \u00fcber 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).<\/p>\n

Netzwerk-Anbindung der Sensoren<\/h3>\n

Die smarten Sensoren sind zum einen WLAN-f\u00e4hig, zum anderen beherrschen Sie die LoRa-Technik und k\u00f6nnen mit dem TTN-Netzwerk, hei\u00dft, mit einem der TTN-Netzwerk-Server, kommunizieren (4).<\/p>\n

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\u00a0 Kommunikation mit dem TTN-Netzwerk erfolgt \u00fcber vorhandene Gateways. Die Gateways sind \u00fcber LAN oder WAN und einem Router\u00a0 mit dem Internet verbunden und k\u00f6nnen so mit den TTN-Gateways kommunizieren(5).<\/p>\n

Aufbau der smarten Sensoren<\/h3>\n

Die smarten Sensoren bestehen aus den eigentlich analogen Bodenfeuchte-Sensoren, einem Microcontroller und einem LoRa Sender.<\/p>\n

Die Bodenfeuchte-Sensoren sind kapazitive Sensoren, die die Bodenfeuchte analog als Pulsbreitenmoduliertes Signal ausgeben. Durch ein RC-Netzwerk wird daraus eine gegl\u00e4ttete analoge Spannung.<\/p>\n

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 \u00fcbertr\u00e4gt die Daten mithilfe des angeschlossenen LoRa-Senders. Als LoRa-Sender kommt ein Modul RFM95W zum Einsatz, das mit einem LoRa-Gateway kommunizieren kann (6).<\/p>\n

Die Topologie in Schritten<\/h2>\n

Die nummerierten Schritte entsprechen den Zahlen in Klammern der o.a. Szenariobeschreibung. Die letzte Grafik (Abb. 8) ist dann die Topologie f\u00fcr das gesamte Szenario. Die Abb. 3-4 dienen nur dazu, die schrittweise Entwicklung zu zeigen.<\/p>\n

Eine wie hier gezeigte Topologie hei\u00dft in der Sprechweise des BSI-Grundschutzes Informationsverbund und ist die Basis eines IT-Sicherheitskonzeptes.<\/p>\n

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Abb. 3: Schritt (1) Internet-Anwendung<\/p>\n

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Abb. 4: Schritt (2) Web-Zugriff der Nutzenden<\/p>\n

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Abb. 5: Schritt (3)\u00a0 Programme und Datenbank<\/p>\n

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Abb. 6: Schritt (4) LoRa und TTN<\/p>\n

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Abb. 7: Schritt (5) Gateways<\/p>\n

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Abb. 8: Schritt (6) Der smarte Sensor in der gesamten Topologie. Diese Grafik gibt einen Eindruck der Anbindung der Bodenfeuchte-Sensoren an den Webserver \u00fcber das TTN-Netzwerk.<\/p>\n

Quellen<\/h2>\n

Das TTN-Netzwerk: https:\/\/www.thethingsnetwork.org\/<\/a><\/p>\n

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