Vernetzt
Unser Alltag wird also zunehmend von vernetzter Technik durchdrungen. Mit der Anzahl der Geräte steigt der Bedarf an Energie sowie die Menge an Daten, die die Knoten austauschen. Bei kleinen Geräten, etwa zum Messen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Feinstaub [8], genügt dazu die Kombination aus einem Board wie dem RasPi und den ansteckbaren Komponenten sowie einem schicken Gehäuse [10].
Solche Geräte senden nur sporadisch sehr kleine Mengen an Daten. Dazu gehört etwa ein Temperatursensor, der nur alle halbe oder volle Stunde fünf bis zehn Bytes verschickt. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme sind die Geräte häufig lange Zeit und batteriebetrieben im Einsatz. Zur Kommunikation mit einer zentralen Sammelstelle existiert ein spezielles Protokoll, das LoRaWAN heißt und den Begriff Long Range Wide Area Network abkürzt.
LoRaWAN entstand 2009 bei der französischen Firma Cycleo; 2012 übernahm Semtech das Unternehmen [10]. Es patentierte die Technologie 2014 und stellte proprietäre Chips dafür her. Wie diese Closed-Source-Bauteile funktionieren, weiß man dank Reverse Engineering jedoch [11].
Aus Sicht der ISO/OSI-Spezifikation steht LoRa für den physischen Layer und LoRaWAN für den MAC-Layer. Im Rahmen der LoRa Alliance [12], einem Unternehmenszusammenschluss aus dem Funkbereich, ist das Protokoll nun standardisiert. Stark vereinfacht ausgedrückt fällt LoRaWAN mit den Mobilfunk-Protokollen wie etwa GSM, LTE oder 4G und Sigfox [13] in die Kategorie der Low Power Wide Area Networks (LPWAN).
Analog zu Sigfox funkt es auf dem ISM-Band für den industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Einsatz. In der Europäischen Union ist LoRaWAN auf 868 MHz mit diversen Funkkanälen festgelegt. Das Protokoll ist so gestaltet, dass es selbst bei Geschwindigkeiten von über 100 km/h zuverlässig funktioniert. Zu den Parametern, an denen Sie drehen dürfen, zählen die Sendeleistung (EU: zwischen -3 dBm und +14 dBm bei circa 40 mA Stromaufnahme), die Bandbreite (zwischen 125 und 500 kHz) sowie der Spreizfaktor (SF).
Ein kleiner Spreizfaktor wie SF7 nutzt 7 Bits pro Symbol, SF12 hingegen 12 Bits. Je kleiner der Faktor, desto höher liegt die Bitrate (bis 50 kbit/s) und umso geringer fällt die Stromaufnahme aus. Ein großer Spreizfaktor wie SF12 führt zu einer kleineren Bitrate (200 bit/s) und einem höheren Strombedarf. Das hat Auswirkungen auf den Sendebereich – er liegt zwischen 1000 Meter (SF7) und 14 Kilometer (SF12) – sowie auf die Übertragungshäufigkeit (siehe Kasten “Fair Use”).
Fair Use
TTN setzt auf geringe Datenmengen. Als goldene Regel gilt, dass jedes Gerät maximal 30 Sekunden pro Tag senden darf. Um 10 Byte an Daten zu übertragen, entspricht das etwa 20 Nachrichten pro Tag (SF12) beziehungsweise 500 Nachrichten täglich bei SF7. Versendet das Gerät mehr Daten, stellt TTN eventuell nicht den passenden Ansatz dar.
Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen den Referenzaufbau eines Gateways im IoT-Netzwerk auf dem Dach eines innerstädtischen Gebäudes in Zürich. Zum Einsatz kam hier ein Raspberry Pi 2. Der Name des Knotens lautet TTN-ZH und ist ebenfalls auf der Karte des Projekts hervorgehoben (Abbildung 4). Die eingesetzte Software sowie weitere Bilder stehen auf der entsprechenden Github-Projektseite [14] bereit.
Abbildung 2: Das Innere eines LoRaWAN-Gateways nach Anleitung von TTN-ZH. Man sieht die Durchführungen für die Antenne und das Ethernet-Kabel, den Power-over-Ethernet-Splitter und insbesondere den Raspberry Pi 2 mit LoRaWAN-HAT (IC880-SPI-Variante).
Abbildung 3: Ein Eigenbau-LoRaWAN-Gateway auf Raspberry-Pi-Basis am Einsatzort. Bei dem nach unten ragenden weißen Stab handelt es sich um die Antenne.
Abbildung 4: Eine Gesamtdarstellung des Netzwerks und Detailinformationen zu den Gateways finden sich auf der TTN-Karte von Zürich.
Abbildung 5 zeigt die Bandbreite der Anbindung vom Weissenstein, einer der höchsten und markantesten Erhebungen im Schweizer Jura. Von dort reichen Verbindungen bis zum Westende des Neuenburger Sees (hellblau), im Norden nach Basel/Lörrach (blau), im Osten nach Zürich (blau) beziehungsweise Luzern (grün) und im Süden nach Bern (gelb) beziehungsweise zum Thuner See und ins Berner Oberland (blau). Der Funkknoten auf dem Weissenstein hielt mit 201 Kilometern lange Zeit den Weltrekord in Sachen Reichweite [15], bis ein holländischer Wetterballon diesen brach (701 Kilometer bis nach Polen).
Abbildung 5: Diese Karte zeigt die Funkabdeckung vom Knoten Weissenstein (1395 Meter über N.N.).
Jeder IoT-Knoten gehört zu einer Betreiber-Community; in aller Regel ergänzt ein passender Blog alle Informationen rund um das vernetzte Gerät. Abbildung 6 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt zur Community Cape Town, die mehrere Geräte im Großraum Kapstadt betreibt.
Abbildung 6: Die Geräte der Community von Kapstadt im Überblick.
Frei oder kommerziell
Das TTN ist nicht kommerziell und orientiert sich an den vier Gemeingütern offene Standards, freie Software, offene Hardware und netzneutrales, von der Gemeinschaft betriebenes Netzwerk. Dabei kommen Lizenzen wie die GPL, die CERN Open Hardware License und die Creative Commons zum Einsatz. Der gesamte Software-Stack basiert auf Go und steht vollständig über ein Repository bereit [16]. Es gibt auch ein kommerzielles Gegenstück zum Community-Netzwerk TTN, The Things Industries [17]. Diese Plattform agiert als Dienstleister für geeignete Hardware sowie das Erfassen von Daten, deren Speicherung in der Cloud und das anschließende Auswerten.
Das Internet der Dinge sorgt voraussichtlich dafür, dass die physikalische Welt mit der virtuellen Welt noch stärker verschmilzt. Das Beispiel am Anfang des Artikels hat deutlich gemacht, wie Wecker, Smartphone oder Informations- und Steuerungssysteme zu Wasser und Heizung in Wohnungen ineinandergreifen. Ausgedehnt auf Büros und ganze Produktionsunternehmen bis hin zum autonomen Fahrzeug, das eigenständig einen Parkplatz sucht, ergibt sich eine vernetzte Infrastruktur der ganzen Stadt. Das öffnet den Weg für automatisierte Vorgänge.
Vielfach gilt das IoT als die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0 [18]), was nicht ganz stimmig ist [19]. Da sich die Bereiche Alltag und Industrie sehr stark überlappen, lässt sich zwischen beiden nur schwer eine scharfe Grenze ziehen. Als gemeinsame Schnittmenge ergibt sich die Kommunikation der Geräte untereinander. Während IoT auf den Verbraucher fokussiert, richtet sich Industrie 4.0 auf eine stärker vernetzte, automatisierte Produktion aus, die IoT-Methoden nutzt [20].
Nicht zuletzt zielt das Internet of Things auf das Optimieren der gesamten Wertschöpfungskette ab. Mithilfe der von Sensoren ausgelesenen Daten der IoT-Geräte bekommen die Unternehmen dabei ein klares Profil des Benutzers. Das erlaubt einerseits, die Produkte stärker an die Bedürfnisse der Anwender anzupassen, ermöglicht aber andererseits eine immer umfassendere Überwachung [21].
