LoRaWAN in der Gebäudeautomation (2022)

Der Beitrag erläutert auf Basis eines 16-seitigen Whitepapers der DEOS AG, Rheine, Eigenschaften, Möglichkeiten und Potenziale der neuen effizienten Funktechnologie LoRaWAN in der Gebäudeautomation.

In Modernisierungs-, aber auch in Neubauprojekten im Bereich der Gebäudeautomation, setzen sich verstärkt Integrationslösungen auf Basis des Funkstandards „Long Range Wide Area Network“ (LoRaWAN) durch.

DEOS Lorawan ist neuer Funkstandard in der Gebäudeautomation
Abbildung 1: Das Whitepaper erläutert und verdeutlicht die Vorteile von LoRaWAN in der Gebäudeautomation auch im Vergleich zu gängigen Funkstandards (Abb. © DEOS AG)

Dabei bietet die Funkanbindung von Sensoren, Zählern oder Bediengeräten über LoRaWAN zum Beispiel folgende Vorteile gegenüber anderen kabellosen Technologien:

  • geringe Bereitstellungskosten für die notwendige Infrastruktur.
  • hohe Sicherheit durch verschlüsselte Datenübertragung.
  • kaum Verkabelungsaufwand bei der Installation im Gebäude.
  • einfache und kostengünstige Integration von Produkten in Bestandsgebäuden.
  • lange Batterielaufzeiten bis zu zehn Jahre (je nach Sensortyp).
  • hohe Reichweite und Durchdringung im Gebäude.

Die Kombination von modernen IoT-/Cloud-Lösungen und der LoRaWAN-Flexibilität ermöglicht neue und effiziente Nutzungsszenarien. Ziele sind dabei, das technische Facility Management zu entlasten, Betriebskosten zu verringern, Gebäudedaten transparent aufzubereiten und darzustellen und Gebäudebesitzer mit neuen Komfortfunktionen zu begeistern.

So funktioniert LoRaWAN

LoRaWAN ist eine energieeffiziente Funktechnologie mit sehr hoher Reichweite, die speziell für das Internet of Things (IoT) entwickelt wurde. Sie gehört zu den LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Networks) und bietet je nach Sensortyp und Datenübertragung eine Batterielebenszeit bis 10 Jahre. Dabei können, je nach Umgebung und Außeneinflüssen, zwischen Sender und Empfänger Distanzen bis 15 km überwunden werden. Ein weiterer großer Vorteil von LoRaWAN ist die hohe Gebäudedurchdringung. Die Kombination von geringer Leistungsaufnahme und großer Reichweite begrenzt jedoch die maximale Datenrate auf 50 kbit/s.
LoRaWAN wird im ISM-Band (Frequenzbereich von 867 bis 869 MHz) betrieben und kann in Deutschland ohne Lizenzkosten genutzt werden. Dadurch ist LoRaWAN im Vergleich zu anderen Funktechnologien wie Mobilfunk oder WLAN sehr wirtschaftlich. Diese Kombination macht LoRaWAN zu einer optimalen Technologie für das Internet der Dinge (IoT).

Der Aufbau eines LoRaWAN

Ein LoRa-Wide Area Network besteht typischerweise aus drei Komponentenarten: Das sind LoRa-Nodes (Endgeräte), LoRa-Gateways und der LoRa-Server. Diese sind in der Regel in einer Sterntopologie angeordnet.

  • Endgeräte sind zum Beispiel LoRa-Sensoren oder IO-Module in einem Gebäude, die ihre Daten sammeln und verschlüsselt an das Gateway senden. Es gibt drei Geräteklassen A, B, C, die individuellen Anforderungen von unterschiedlichen Anwendungsfällen gerecht werden. Dazu gehören zum Beispiel Fensterkontakte, Türschließsysteme, Füllstands- und Leckagesensoren, Zählerablesungen, Störmeldungen, Thermostate, Temperatur- und Feuchtesensoren, Raumluftqualitätssensoren und weitere IO-Module.
  • LoRa-Gateways empfangen die Daten der Endgeräte und übertragen diese an den Netzwerkserver (Standard-IP-Verbindung). Dabei können fast beliebig viele Funksensoren an ein Gateway angebunden werden.
  • Der zentrale LoRa-Netzwerkserver empfängt die Daten der Gateways und verarbeitet diese individuell weiter. Die Visualisierung der Daten erfolgt auf dem Anwendungsserver.
Die Abbildung verdeutlicht die Vorteile von LoRaWAN in der Gebäudeautomation auch im Vergleich zu gängigen Funkstandards
Abbildung 2: Beispiel für ein einfach aufgebautes LoRaWAN-Netzwerk (Abb. © DEOS AG)

Der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN

LoRaWAN beschreibt das Standardkommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur für das gesamte Netzwerk. Dadurch ermöglicht es die einheitliche Kommunikation der einzelnen Netzwerkteilnehmer untereinander. So können LoRaWAN-fähige Produkte ohne Probleme in ein bereits bestehendes LoRaWAN integriert werden.
Demgegenüber ist LoRa die physikalische Funktechnik, die nur zwischen einem Endgerät, zum Beispiel einem Sensor, und dem Gateway verwendet wird. Das Gateway hingegen kommuniziert meist über LTE/LAN mit dem Netzwerkserver und stellt die Daten dem IoT zur Verfügung.
Das Kommunikationsprotokoll sowie die Systemarchitektur haben dabei den größten Einfluss auf die Batterielebensdauer eines Endgeräts, die Netzwerkkapazität, die Sicherheit und die Vielfalt der vom Netzwerk bedienten Anwendungen.

Die Vorteile eines LoRaWAN

Sehr hohe Reichweite
LoRaWAN hat eine sehr hohe Reichweite. Diese beträgt zwischen Endgerät und Gateway etwa 3 km in städtischen Gebieten, rund 5 bis 10 km in weniger bebauten Vororten und bis 15 km im ländlichen Gebiet. Dadurch können große Gebiete oder Gebäude teilweise mit nur einem Gateway abgedeckt werden.

Durchdringung und geringe Störanfälligkeit
LoRaWAN hat eine sehr hohe Störsicherheit. Zudem können Sensibilitätswerte bis zu -137 dBm erreicht werden, was die Durchdringung von vielen Wänden bis hin zu Kellerräumen ermöglicht. So können ganze Firmengebäude mit zugehörigem Betriebsgelände von nur einem Gateway abgedeckt werden.

Lange Batterielaufzeit
Der geringe Energiebedarf von LoRaWAN-Sensoren und -Aktoren ermöglicht einen langen Batteriebetrieb. Dieser hängt vom jeweiligen Gerätetyp und dessen Sendeintervall, Empfangsstärke und Datenmenge ab. So können bei Zählern, die oft nur ein Mal pro Tag einen Verbrauch melden, Batterielaufzeiten bis 10 Jahre erreicht werden. Das verringert den Wartungsaufwand im Facility Management und erleichtert das Nachrüsten in Bestandsgebäuden.

Geringe Kosten für Netzwerkaufbau
Die LoRaWAN-Infrastruktur verursacht im Vergleich zu alternativen Technologien deutlich weniger Kosten. Wegen der hohen Reichweite und Durchdringung werden auch weniger Gateways für ein Netzwerk benötigt. Auch die Kosten für Endgeräte sind vergleichsweise gering.

DEOS Lorawan
Abbildung 3: Beispiele für LoRa-Endgeräte in einem Gebäude (Abb. © DEOS AG)

Weitere Inhalte des Whitepaper

Über diese Informationen hinaus enthält das Whitepaper zum Beispiel noch zwei große Tabellen „LoRaWAN im Praxisvergleich“:
Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung und eine Bewertung von LoRaWAN im Vergleich zu WiFi und Blootooth bezüglich der Kriterien „typische Anwendungen“, „Datendurchsatz“, „Reichweite“, „Durchdringung“, „Energiebedarf“, „Bereitstellungskosten“, „Integration von Endgeräten“, „Skalierbarkeit“ und „IoT-Eignung“.
Tabelle 2 enthält einen weiteren Vergleich von LoRaWAN mit den Funkstandards Sigfox und EnOcean anhand der zuvor aufgeführten Kriterien.
Hinzu kommen viele Beispiele für LoRaWAN-Anwendungen in der Gebäudeautomation.

DEOS Gebäudeautomation mit LoRaWAN

Die DEOS AG bietet im Bereich der Gebäudeautomation viele LoRaWAN-Lösungen zur einfachen Neu- und Nachdigitalisierung von Gebäuden. So haben die LoRa-Gateways beispielsweise einen integrierten LoRa-Netzwerkserver (LNS), um die IoT-Daten in einem lokalen Netzwerk zu behalten. Auch die standardmäßige Modbus TCP-Schnittstelle ermöglicht das einfache Auskoppeln von IoT-Daten an einen beliebigen Modbus-fähigen DDC-Controller im Gebäude. So tauschen LoRa-Endgeräte Daten mit dem bestehenden GA-System bidirektional aus oder stellen die gesammelten Daten der IoT-Plattform zur Verfügung. Die Plattform visualisiert die Daten in verschiedenen Anwendungen wie dem Smart Metering, Cleaning on Demand oder dem Predictive Maintenance. Auch eine Weiterleitung der Daten via MQTT an die IoT-Plattform oder einen beliebigen MQTT-Broker ist möglich. Zur einfachen Inbetriebnahme von LoRa-Sensoren bietet DEOS den Kunden ein Tool zur Massenintegration. So können eine Vielzahl an Sensoren mit nur wenigen Klicks ins Netzwerk integriert und aktiviert werden. Das reduziert die Bereitstellungsaufwände auf ein Minimum.
Die DEOS-Lösung bietet somit alle Vorteile, die das Funkprotokoll LoRaWAN mit sich bringt und stellt ergänzende Funktionen und Services speziell für die Anwendung im Bereich der Gebäudeautomation zur Verfügung.

Mehr Informationen zu LoRaWAN stehen hier (https://www.deos-ag.com/de/loesungen/lorawan-gebaeudeautomation).

Der Link zum Downlaod des Whitepapers ist hier (https://www.deos-ag.com/de/whitepaper).

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