Submetering über weite Strecken

In Büro- oder Dienstleistungsimmobilien, Wohnsiedlungen, industriellen Arealen oder landwirtschaftlichen Betrieben erfassen fest eingebaute Messstellen den Verbrauch von Strom, Gas, Wasser und anderen Medien. Die manuelle Erfassung des Verbrauchs zu Abrechnungszwecken oder zur Überwachung der Energieeffizienz an den Messstellen vor Ort ist zeitintensiv und fehleranfällig. Zudem stehen die Daten erst mit erheblichem zeitlichem Versatz zur Weiterverarbeitung in übergeordneten Systemen zur Verfügung. Anwendungen der Gebäudeautomation oder Smart-City-Anwendungen erfassen mittels Sensoren nicht nur Parameter wie Temperatur, Luftbelastung, Verkehrsströme oder die Belegung von Parkplätzen, sondern erlauben auch die Steuerung von Raumklima oder Ampelschaltungen. Hierfür ist die zeitnahe Übermittlung von Zustandswerten zwingende Voraussetzung. Da die Weiterverarbeitung der Messwerte und die Steuerung von Systemen räumlich getrennt stattfindet, werden Technologien benötigt, mit deren Hilfe die erfassten Daten ohne menschliches Zutun gesammelt und zeitnah für die Weiterverarbeitung an die zentralen Systeme übertragen werden können.

Große Auswahl an Funk-Technologien verfügbar

An Übertragungstechnologien besteht kein Mangel. Auch für die drahtlose Kommunikation, die kostengünstiger einzurichten und nachzurüsten ist als drahtgebundene, bietet der Markt eine Vielzahl von Verfahren von Wi-Fi und Bluetooth über Mobilfunk und NB-IOT bis zu LoRaWAN an. Da neben den Einrichtungskosten für die Übertragung von Messdaten Anforderungen wie geringe Betriebskosten und geringer Stromverbrauch sowie die Möglichkeit zum Anschluss einer Vielzahl von Messgeräten mehr Gewicht haben als eine hohe Kommunikationsgeschwindigkeit, sind nicht alle Technologien gleichermaßen für jede Anwendung geeignet. Angesichts der anwendungstypisch kleinen zu übertragenden Datenmengen auf weitläufigen Arealen, in großen Gebäuden und Anlagen, Stadtbezirken oder landwirtschaftlichen Betrieben hat sich wegen der großen Übertragungsreichweite das LoRaWAN als praktikabel für die Fernauslesung von Messgeräten und Sensoren erwiesen.

Was LoRaWAN leistet

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein auf der LoRa-Technologie basierendes Protokoll, das für die drahtlose Kommunikation von Geräten im Internet of Things (IoT) bzw. Industrial Internet of Things (IIoT) entwickelt wurde. Es ist für einen möglichst geringen Energiebedarf bei der Datenübertagung ausgelegt und nutzt das nicht lizensierte Funkspektrum im ISM-Band. Gegenüber Mobilfunk-Netzwerken mit ihrer großen Reichweite punktet LoRaWAN durch sehr geringe Betriebskosten, da weder Kosten für SIM-Karten noch Nutzungsgebühren für das Netz anfallen. Zudem können Endgeräte und Gateways wegen des lizenzfreien Funkspektrums ohne eine Genehmigung hinzugefügt und installiert werden.

Von den hinsichtlich der Betriebskosten ebenfalls günstigen Verfahren wie Wi-Fi oder Bluetooth unterscheidet sich LoRaWAN durch eine Flächenabdeckung von bis zu 5 km im Stadtgebiet und 10 km im ländlichen Bereich. Anderen Low-Power-Wide-Area-Funktechnologien (LPWAN) ist LoRaWAN bei weiteren Kriterien überlegen. Von NB-IOT bspw. unterscheidet sich LoRaWAN durch eine hohe Störfestigkeit und von SIGFOX dank eingebetteter AES-128-Verschlüsselung durch ein hohes Sicherheitslevel bei der Übertragung.

Eigenes oder Gemeinschafts-Netz?

Grundsätzlich bestehen hinsichtlich Nutzung eines LoRaWAN-Netzes zwei Möglichkeiten: der Aufbau und Betrieb eines eigenen, unabhängigen Netzwerks oder die Einbindung in ein bereits bestehendes. Ein eigenes Netz ist vor allem für die Erfassung von Messdaten in einem beschränkten Areal wie auf einem Fabrikgelände oder in einem großen Gebäude geeignet. Für große Areale kann es sinnvoll sein, sich an einem bestehenden Netz zu beteiligen, bspw. dem einer Kommune oder einer öffentlichen Gemeinschaft. Der Unterschied liegt im Umfang der Komponenten, die installiert werden müssen. Bei der Beteiligung an einem bestehenden Netz sind lediglich eigene Gateways erforderlich, die die Messdaten an den bestehenden Netzwerkserver weiterleiten. Gegebenenfalls können bei einer Beteiligung Nutzungskosten anfallen.

Aufbau eines LoRaWAN-Netzes

Die Architektur eines LoRaWAN-Netzes sieht wie folgt aus: Auf der untersten Ebene befinden sich die Endgeräte, die Daten erfassen und sie verschlüsselt als Datenpakete übermitteln. Endgeräte können Messgeräte wie Gas-, Wasser- und Stromzähler, Mess-einrichtungen für Maschinenparameter, Sensoren für Temperatur und Luftfeuchte oder für Smart-City-Anwendungen für Parkmanagement, Straßenbeleuchtung, Ampelsteuerung etc. sein. Gateways in Reichweite der Endgeräte empfangen die Datenpakete via LoRa und leiten sie an den Netzwerkserver weiter. Der Netzwerkserver wiederum entschlüsselt die Daten, eliminiert identische Pakete, die ihm von mehreren Gateways zugestellt werden, und sendet sie an die jeweils zuständige Endanwendung weiter. Zudem verwaltet er die Downlink-Kommunikation.

Adapter und Gateway für unterschiedliche Architekturen

Sowohl für den Aufbau eigener LoRa-Netzwerke als auch für die Einbindung in bereits bestehende LoRaWAN-Netzwerke hat Carlo Gavazzi Lösungen entwickelt, mit denen Daten aus den Zählern und Analysatoren vom Anbieter gesammelt werden können, die mit Modbus RTU über eine RS485-Schnittstelle ausgestattet sind. Über einen USB-Port kann das Bedienpersonal den Endpunktadapter „UWPA“ und den angeschlossenen Energiezähler des Unternehmens mittels der kostenlos verfügbaren „UCS-Software“ komfortabel vom PC aus konfigurieren und die Geräte mittels der Konfigurationsdateien in das Netzwerk integrieren. Der Endpunktadapter „UWPA“ übermittelt die Messdaten vom Messgerät via LoRa entweder an ein Standard-LoRaWAN-Gateway eines Drittanbieters oder, im eigenen Netzwerk, an den Master-Konzentrator „UWPM“.

Im eigenen Netz sammelt der Master-Konzentrator „UWPM“ die Daten von bis zu 50 „UWPA“-Endpunkten und übergibt sie an den Datenlogger mit Webserverfunktion „UWP 3.0“. Dieser empfängt und speichert die Daten über den gemessenen Zeitraum und steuert angeschlossene Geräte über verschiedene Bussysteme und Protokolle. Der im „UWP 3.0“ integrierte Webserver erlaubt neben der Anzeige von Echtzeitdaten und Diagrammen lokale und Remote-Kommunikation über Standard-Internetprotokolle.

Fazit

Die neuen Funk-Technologien LoRa und LoRaWAN eignen sich aufgrund der großen Reichweite und der niedrigen Betriebskosten ideal für private oder öffentliche Netzwerke in Städten, in denen jeweils kleine Datenmengen von vorhandenen, fix verbauten Energiezählern standortunabhängig ausgelesen, gesammelt und übertragen werden sollen. Mit den von Carlo Gavazzi angebotenen Lösungen lassen sich drahtlose Verbindungen mit großer Reichweite einrichten, die in ausgedehnten Netzwerken Daten von verteilten Messgeräten erfassen und für die zentrale Weiterverarbeitung bereitstellen.