Ein privates LoRaWAN-Netzwerk ermöglicht die Anbindung von Sensoren an eine Funkinfrastruktur, die direkt vom Unternehmen betrieben wird. Im Gegensatz zu einem öffentlichen LoRaWAN-Netzwerk werden die Gateways und der Netzwerkserver speziell für die Anforderungen des Standorts bereitgestellt.
Diese Architektur eignet sich besonders für Dienstleistungsgebäude, Industriestandorte und Immobilienkomplexe, die ihre Daten in einer „ gebäudeleittechnik “ zentralisieren möchten, ohne dass für jeden Sensor ein Abonnement beim Betreiber erforderlich ist.
Für die Umsetzung ist es jedoch erforderlich, die Funkabdeckung richtig zu dimensionieren, die Geräte zu sichern und die Datenauswertung zu planen.
Was ist ein privates LoRaWAN-Netzwerk?
In einem privaten LoRaWAN-Netzwerk kommunizieren die Sensoren mit einem oder mehreren Gateways, die vor Ort installiert sind. Diese Gateways leiten die Nachrichten an einen LoRa Network Server (LNS) weiter, der das Netzwerk und die angeschlossenen Geräte verwaltet.
Die Architektur folgt in der Regel diesem Ablauf:
LoRaWAN-Sensoren → Gateway → LNS → Datenentschlüsselung → gebäudeleittechnik oder App
Jede Komponente hat eine bestimmte Funktion:
- Die Sensoren messen und übertragen die Daten
- Das Gateway empfängt die Funkrahmen
- Das LNS verwaltet die Geräte, Sitzungen und die Kommunikation
- Der Codec wandelt die Rohdaten in verwertbare Werte um
- gebäudeleittechnik zeigt Daten an, speichert sie in einem Verlauf und nutzt sie
Der LNS kann auf einem Remote-Server gehostet oder direkt in das Gateway integriert werden. Die private LoRaWAN-Lösung von Enless basiert auf diesem zweiten Ansatz.
Warum sollte man sich für ein privates LoRaWAN-Netzwerk entscheiden?
Ein privates Netzwerk ermöglicht es, die Infrastruktur zu kontrollieren und an die Gegebenheiten des Gebäudes anzupassen.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- Eine auf den Standort zugeschnittene Abdeckung
- Das Fehlen eines Mobilfunkvertrags pro Sensor
- Eine Architektur, die lokal betrieben werden kann
- Eine direkte Integration mit der gebäudeleittechnik
- Die Möglichkeit, Sensoren verschiedener Marken zu verwenden
- Autonome Verwaltung von Geräten und Daten
Diese Autonomie umfasst auch die Verwaltung der Gateways, der Sicherheitsschlüssel, des LNS, der Updates sowie die Netzwerküberwachung.
Bei stark verstreuten Standorten ist ein öffentliches LoRaWAN-Netz daher möglicherweise besser geeignet. Bei einem Gebäude oder einem Campus, auf dem sich zahlreiche Sensoren befinden, bietet ein privates Netzwerk in der Regel mehr Kontrolle.
1. Die Projektanforderungen definieren
Der erste Schritt besteht darin, festzustellen, welche Daten erfasst werden sollen und wohin sie übermittelt werden.
In einer Anwendung unter gebäudeleittechnik kann ein privates LoRaWAN-Netzwerk dazu dienen, folgende Daten zu übermitteln:
- Temperatur und Luftfeuchtigkeit
- Die CO₂-Konzentration
- Der Wasser-, Gas- oder Stromverbrauch
- Die Betriebszustände der Anlagen
- Das Öffnen von Türen und Fenstern
- Technische Alarme
- Daten von Modbus-Geräten
Anschließend müssen die Anzahl der Sensoren, deren Übertragungsfrequenz, etwaige Anforderungen an die Downlink-Steuerung sowie das von der „ gebäudeleittechnik “ erwartete Protokoll angegeben werden.
Eine Messung, die alle fünfzehn Minuten übermittelt wird, stellt nicht dieselben Anforderungen wie ein Alarm, der sofort weitergeleitet werden muss.
2. Untersuchung der LoRaWAN-Funkabdeckung
Die Reichweite von LoRaWAN hängt stark von der Umgebung ab. Eine theoretische Reichweite im freien Feld bietet keine Garantie für die Abdeckung innerhalb eines Gebäudes.
Die wichtigsten zu untersuchenden Faktoren sind:
- Die Anzahl der Stockwerke
- Die Dicke der Wände und Böden
- Das Vorhandensein von Stahlbeton
- Metallkonstruktionen
- Die unterirdischen Technikräume
- Die Aufstellung der Schaltschränke
- Der Standort und der Antennentyp
- Funkstörungen aus der Umgebung
Das Gateway sollte idealerweise in erhöhter Lage an einem zentralen und freien Ort installiert werden. Befindet es sich in einem Metallschrank, muss die Antenne nach außen verlegt werden.
Es müssen Funkprüfungen von den ungünstigsten Standorten aus durchgeführt werden. Anhand des RSSI und des SNR lässt sich die Qualität der Verbindungen bewerten und eine ausreichende Reserve für zukünftige Schwankungen sicherstellen.
In einem großen Gebäude, auf einem Campus oder an einem kritischen Standort können mehrere Gateways erforderlich sein, um die Abdeckung zu verbessern oder Redundanz zu gewährleisten.
3. Gateways und LNS auswählen
Das Gateway darf nicht mit dem LNS verwechselt werden. Es empfängt die Funknachrichten, während der Netzwerkserver unter anderem folgende Aufgaben übernimmt:
- Die Authentifizierung der Sensoren
- Die Aktivierungsverfahren
- Das Entfernen doppelter Frames
- ADR oder Anpassung der Funkübertragungsrate
- Die absteigenden Nachrichten
- Überwachung der LoRaWAN-Sitzungen
Ein integriertes LNS vereinfacht die lokale Architektur, indem es den Funkempfang und die Netzwerkverwaltung in einem einzigen Gerät vereint.
Das LoRaWAN-Gateway Enless RX LORAWAN 500-602 verfügt über einen integrierten LNS und kann bis zu 500 LoRaWAN-Sensoren verwalten. Es arbeitet im EU868-Frequenzband und unterstützt sowohl Enless-Sensoren als auch LoRaWAN-Geräte anderer Hersteller.
4. Das private LoRaWAN-Netzwerk sichern
LoRaWAN verfügt über Authentifizierungsmechanismen und eine AES-128-Verschlüsselung. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch davon ab, wie das Netzwerk konfiguriert und betrieben wird. Die LoRa Alliance empfiehlt insbesondere, die Schlüssel zu schützen und deren Wiederverwendung auf mehreren Geräten zu vermeiden.
Zu den bewährten Vorgehensweisen gehören:
- Die OTAA-Aktivierung bevorzugen
- Für jeden Sensor einen eigenen Schlüssel verwenden
- AppKeys und andere Anmeldedaten an einem sicheren Ort aufbewahren
- Zugriff auf die Konfigurationsoberfläche einschränken
- Das Gateway in einem geeigneten Netzwerk isolieren
- Konfiguration speichern
- Firmware auf dem neuesten Stand halten
- Nicht mehr genutzte Geräte deaktivieren
Der Zugriff auf das LNS, das Gateway und die „ gebäudeleittechnik “ muss ebenfalls in die Cybersicherheitsrichtlinie des Gebäudes integriert werden.
5. Sensoren registrieren und aktivieren
Um sich mit dem Netzwerk zu verbinden, muss jeder Sensor mit seinen LoRaWAN-Identifikationsdaten registriert werden. Bei der OTAA-Aktivierung sind dies in der Regel:
- DevEUI
- JoinEUI oder AppEUI
- AppKey
Die Funkregion und der Frequenzplan müssen ebenfalls mit dem verwendeten Netz übereinstimmen. In Frankreich und in den meisten europäischen Ländern arbeiten die Geräte auf der Frequenz EU868.
Nach der Aktivierung muss Folgendes überprüft werden:
- Der Erfolg des Joints
- Der Empfang der ersten Uplinks
- Die RSSI-Stufe
- Der SNR-Wert
- Die Sendefrequenz
- Die Konsistenz der erhaltenen Daten
In der GitBook-Dokumentation zu Enless werden die Aktivierungsverfahren und die damit verbundenen Diagnoseinformationen genau beschrieben. Eine orangefarbene LED kann beispielsweise eine erfolgreiche Aktivierung bei schwachem RSSI-Pegel anzeigen, während eine rote LED auf ein Problem mit den Schlüsseln oder der Netzabdeckung hinweisen kann.
6. Die Daten auswerten und in die gebäudeleittechnik
Die LoRaWAN-Kompatibilität stellt sicher, dass ein Sensor mit einem kompatiblen Gateway kommunizieren kann. Sie garantiert jedoch nicht, dass das Gateway den Inhalt seiner Nachrichten automatisch interpretieren kann.
Jeder Hersteller legt das Format der von seinen Sensoren übertragenen Nutzdaten fest. Daher ist ein Codec erforderlich, um den Rohdatenstrom in Daten wie eine Temperatur, einen Zählerstand oder einen Kontaktstatus umzuwandeln.
Das Enless-Gateway decodiert Enless-LoRaWAN-Sensoren nativ. Für Sensoren von Drittanbietern ist es möglich, Codecs hinzuzufügen und die erhaltenen Werte zuzuordnen.
Die Daten können anschließend für die Weitergabe an das „ gebäudeleittechnik “ über Modbus oder BACnet aufbereitet werden, je nach eingesetzter Firmware und Architektur. Das technische Handbuch zum LoRaWAN-Gateway enthält detaillierte Informationen zur Konfiguration, zur Installation und zu den verfügbaren Schnittstellen.
7. Die Installation testen und dokumentieren
Vor der Inbetriebnahme muss das Netz unter realen Betriebsbedingungen validiert werden.
Die Prüfung muss Folgendes umfassen:
- Der Empfang aller Sensoren
- Die schwierigsten Funkbereiche
- Die korrekte Übermittlung der Werte
- Umgang mit Kommunikationsausfällen
- Alarme wegen fehlender Daten
- Der Neustart des Gateways
- Der Austausch mit der gebäudeleittechnik
- Etwaige Anweisungen von oben
Es wird außerdem empfohlen, einen Lageplan, die Liste der Sensoren, deren Kennungen, deren Standorte, die verwendeten Codecs sowie eine Sicherungskopie der Konfiguration aufzubewahren.
Fehler, die man vermeiden sollte
Verschiedene Fehler können ein privates LoRaWAN-Netzwerk anfällig machen:
- Das Gateway in einem Metallschrank ohne externe Antenne installieren
- Die Bemessung der Überdeckung ausschließlich auf der Grundlage einer theoretischen Spannweite vornehmen
- LoRaWAN-Kompatibilität und native Sensorauswertung verwechseln
- Dieselben Schlüssel für mehrere Geräte verwenden
- Die Häufigkeit der Nachrichten vernachlässigen
- Alle Sensoren aufstellen, bevor die schwierigen Bereiche getestet wurden
- Die Überwachung von Kommunikationsausfällen vernachlässigen
- Die endgültige Integration in die gebäudeleittechnik
Zusammenfassend
Die Einrichtung eines privaten LoRaWAN-Netzwerks basiert auf sechs wesentlichen Elementen:
- Eine genaue Definition der zu erfassenden Daten
- Eine vor Ort durchgeführte Reichweitenstudie
- Eine geeignete Aufstellung der Gateways und Antennen
- Ein korrekt konfiguriertes LNS
- Eine sichere Aktivierung der Sensoren
- Eine konsistente Dekodierung und Zuordnung zur gebäudeleittechnik
Enless bietet LoRaWAN-Sensoren für die „ gebäudeleittechnik “ sowie ein Gateway mit integriertem LNS zum Aufbau einer lokalen privaten Architektur an. Um die Dimensionierung oder die Kompatibilität mit Ihrer SPS zu überprüfen, können Sie sich an das Enless-Team wenden.
