LoraWAN® im Starkregen-Monitoring

Da das Thema IoT (Internet of Things) mittlerweile bei immer mehr Sensor-Herstellern angekommen ist, ergeben sich für das Umwelt-Monitoring neue Chancen, was sowohl die Kosten-Effizienz angeht als auch die größere Einsatzbreite gegenüber herkömmlicher Technologie.

Aufgrund der vielen Diskussionen rund um Lora möchte ich nachfolgend ein paar Erfahrungen mit der Community teilen, die wir als Starkregen-Monitoring-Anbieter mit der Nutzung von LoraWAN® in den letzten 3-4 Jahren gesammelt haben:

IoT-Sensoren können heutzutage komplett autark mit Batterie betrieben werden und kabellos Ihre Daten versenden. Neuartige Netzwerkprotokolle wie LoraWAN® ermöglichen dabei, die Daten sehr energieeffizient über große Entfernungen (bis zu 10km) zu versenden, so das trotz hohen Meßraten die Sensoren viele Monate und Jahre mit einer Batterieladung betrieben werden können. LoraWAN® benötigt für den Empfang eine Empfangseinheit (Gateway) welche die Daten per GSM oder LAN weiterversendet.

Die Vorteile dieser neuen Technologie liegen klar auf der Hand:

• Man kann Meßwerte praktisch überall aufnehmen, ohne für Infrastruktur am Sensor-Ort sorgen zu müssen.
• Durch die Kosteneffizienz der Sensoren und nicht benötigter Infrastruktur kann man ein viel dichteres Meßnetz etablieren.
• Man kann bei geschickter Platzierung der Gateways sogar in Gebieten Empfang herstellen, in denen es nicht mal Mobilfunk-Empfang gibt.

Die Nutzung ist allerdings auch mit Einschänkungen verbunden, was aber nicht heißt, dass wir grundsätzlich von LoraWAN® abraten. Man muss diese nur Betracht ziehen, um nicht später von Zusatzaufwänden oder Problemstellungen überrascht zu werden.

• Die Gateways werden benötigt, um das Lora®-Signal zu empfangen und über GSM weiterzuleiten. Die Daten landen bei einem Lora®-Provider, der dann die Daten ins eigentliche Backend weiterleitet. Kostenlose Provider  haben den Nachteil, dass man keinerlei Einfluss auf die Verfügbarkeit hat – wenn der Provider entscheidet, ein System-Update zu machen und es gerade regnet und man keine Daten übertragen bekommt – Pech gehabt!
• Mit kommerziellen Lora®-Providern kann man das vertraglich regeln. Allerdings muss man dann deren Gateways dort etablieren, wo es noch keine Konnektivität gibt (gilt übrigens auch für kostenlose Provider). Das heißt, man muss Stellen wie Häuserdächer finden, wo man die Gateways plazieren kann und dann einen Stromanschluss nach außen legen oder das Anschlusskabel nach innen. Kommerzielle Provider verlangen pro Sensorknoten eine Gebühr, die nicht unerheblich ist. Zusätzlich kosten die Outdoor-Gateways selbst zwischen 600 und 1000 EUR pro Stück.
• Bei jeder Funkstrecke im öffentlichen Raum kann es Einflüsse geben, die das Funksignal stören können: Sei es ein Radiobetrieb ohne CE-Zertifizierung welches stört, oder es parkt ein LKW direkt vor dem Sensor, auf der Gateway-Seite können Funkantennen in der Nähe stören, auch Regen dämpft den Empfang.
• Da Gateways zentral mehrere Sensoren empfangen, sind bei Gatewayausfall alle zugehörigen Sensoren offline. Ein dichteres Gateway-Netz schafft durch Überlappung Redundanz, jedoch müssen dann wieder mehr Gateways platziert werden, was sich letztlich wiederum in Aufwand und Kosten niederschlägt.
• Die Empfangsweite der Gateways für das Lora®-Signal hängt entscheidend von der Höhe und Größe der Gateway-Empfangsantenne sowie von der Bebauung ab. Unsere Erfahrungswerte hier sind: Urbaner Bereich: bis zu <1km, ländlicher Bereich: bis zu 8km, Gateway in direkter Sichtlinie mit Sensor: 10km oder mehr.

Fazit:

LoraWAN eignet sich durchaus für Starkregen-Monitoring. Jedoch ist der Aufwand für Aufbau und Unterhalt des Netzes nicht zu unterschätzen und sollte bei einer Kostenschätzung berücksichtigt werden.

Bei einem Hochverfügbarkeits-System wie einem Starkregen-Monitoring sollten möglichst Redundanz-Pfade bei Meßwertaufnahme und Datenübertragung geschaffen werden. Wie dafür Lösungen aussehen können, werde ich in einem der nächsten Posts beschreiben.