LoRaWAN - Into the batcave!

· ☕ 4 min read

Im Oktober 2020 haben das Repaircafé und der Chaostreff Hilpoltstein ihr erstes LoRaWAN-Gateway im Haus des Gastes in Betrieb genommen. In Ermangelung eines festen Standorts wurde zuerst eine Fensterbank im zweiten Stockwerk gewÀhlt, um eine erste Abdeckung der Stadt zu ermöglichen.
Dieses Provisorium hat nun im Januar 2021 ein Ende gefunden: Wir haben das Gateway im Dachboden des HdG fest montiert.

Gateway und Antenne montiert im Dachboden

Was ist LoRaWAN eigentlich?

LoRaWAN ist ein Funk-Netzwerkprotokoll im 868 MHz-Band, welches auf dem proprietĂ€ren Übertragunsverfahren namens “LoRa” der Firma Semtech beruht.
Es ist fĂŒr die einfache und sichere Anbindung von Devices - den sogenannten “Nodes” - ans Internet der Dinge (IoT) konzipiert und zeichnet sich durch eine hohe Reichweite bei minimalem Energieverbrauch aus:
LoRaWAN-Nodes können unter idealen Bedingen eine Reichweite von bis zu 15 km im lÀndlichen- und bis zu 2km im stÀdtischen Raum erreichen. Dabei ist gleichzeitig eine Batterielebensdauer von mehreren Monaten oder sogar Jahren möglich.

Diese Leistungen kommen natĂŒrlich zu einem Preis:
LoRaWAN unterstĂŒtzt in Europa lediglich eine Übertragungsrate von bis zu 50 kBit/s. Gleichzeitig ist die Sendedauer- und Leistung im 868 MHz-Band begrenzt. FĂŒr Sensoren, die nur alle paar Minuten sehr kleine Datenpakete senden ist dies jedoch kein Problem.

Überblick ĂŒber die Architektur von LoRaWAN

Die Architektur bei LoRaWAN ist in vier Hauptbereiche aufgeteilt:

  • Die Nodes sind Sensoren oder andere IoT-GerĂ€te, die ihre Daten ins Internet der Dinge senden möchten oder Steuerbefehle aus diesem erhalten sollen. Datenpakete werden auf dem Node verschlĂŒsselt und an alle verfĂŒgbaren Gateways in der Umgebung gefunkt. Hier kommt das eigentliche LoRa-Protokoll zum Einsatz.
  • Gateways in der NĂ€he empfangen die gesendeten Daten und leiten diese ins Internet an ihre konfigurierten Provider weiter.
  • Der Provider ĂŒberprĂŒft, ob die gesendeten Daten zu einer bei ihm registrierten Applikation gehören. Ist dies der Fall, wird das Datenpaket entgegengenommen und an die entsprechende Applikation weitergeleitet.
    Im Chaostreff haben wir uns hier fĂŒr The Things Network als Provider entschieden. TTN ist ein Community-Projekt mit dem Ziel, ein öffentlich verfĂŒgbares, globales LoRaWAN-Netzwerk zu schaffen und zu betreiben.
  • Am Ende des Datentransfers steht die Anwendung, die die Daten empfĂ€ngt, aufbereitet und auswertet. Was genau mit den empfangenen Daten geschieht ist Sache der Anwendung - hĂ€ufig finden sich hier Dashboards oder automatische AblĂ€ufe, die auf die eingehenden Daten reagieren.

Weitere Infos zum Thema LoRaWAN und unserem Projekt im Chaostreff werden wir nach und nach in unserem Wiki veröffentlichen.

Von der Fensterbank ins Dachgeschoss

Als wir unser Gateway im Oktober 2020 in Betrieb nahmen, gab es noch keinen fest zugesicherten Standort - also musste ein Provisorium her. Der Raum des RepaircafĂ©s im Haus des Gastes war hierfĂŒr ideal: Das HdG ist sehr zentral in Hilpoltstein gelegen und liegt auch etwas erhöht, sodass man von dort aus eine gute Rundumsicht ĂŒber das Stadtgebiet hat. Um zumindest in eine Richtung eine gute Empfangs- und Senderleistung zu erreichen wurden das Gateway und seine Antenne auf eine der FensterbĂ€nke verfrachtet, wo sie seitdem fleißig ihren Dienst verĂŒbten.

Provisorischer Standort des Gateways

Trotz der dicken Mauern dieses historischen GebĂ€udes war immerhin ein großer Teil des Stadtgebietes nun mit LoRaWAN versorgt, sodass die Teilnehmer des Chaostreffs ihre ersten Gehversuche mit dieser Technik unternehmen konnten. Unsere Reichweiten-Messungen, die wir ĂŒber TTNMapper durchgefĂŒhrt haben sahen bereits recht vielversprechend aus. Dennoch kann man auf der Karte auch sehr gut die Ausrichtung des Fensters nach Nord-West nachvollziehen: Westlich des HdG besteht ein guter Empfang wĂ€hrend östlich nach einigen hundert Metern wortwörtlich Funkstille herrscht:

Reichweite unseres Gateways vom 26.01.2021 auf TTNMapper.org

Von Anfang an war uns klar: Wir benötigen einen besseren Standort - nicht nur, um mehr Reichweite zu bekommen, sondern auch um die etwas klapprig wirkende Konstruktion von der Fensterbank zu verbannen. Die Frage war nur: wo? Das Haus des Gastes ist denkmalgeschĂŒtzt - dementsprechend ist es schwierig, das Gateway außen anzubringen (auch wenn es an sich outdoorfĂ€hig ist). Selbst ohne Denkmalschutz wĂŒrde eine außen angebrachte Antenne das schöne Haus nur verschandeln.

Zum GlĂŒck hat das HdG einen großen, nicht ausgebauten Dachboden, welcher sich ĂŒber drei Ebenen erstreckt. Strom ist vorhanden und da die Konstruktion fast komplett aus Holz besteht sollte der Empfang um einiges besser funktionieren als hinter dickem Mauerwerk aus Sandstein. ZusĂ€tzlich fanden wir bei einer Begehung einen ungenutzten Metallmast, der sich als ideal fĂŒr die Montage von Gateway und Antenne herausstellte.

Dritte Ebene des Dachbodens mit Metallmast - hier hÀngt nun unser Gateway

Nach Absprache mit dem Landratsamt Roth war es nun am 26. Januar 2021 soweit:
Dank der tatkrÀftigen Hilfe unseres Chaostreff-Mitglieds Tracer konnten wir nun endlich dem Provisorium ein Ende machen und das Gateway im Dachboden montieren.

Montiertes Gateway am Metallmast im Dachboden

Wie geht es weiter?

Nun da das Gateway seinen finalen Montageort erreicht hat können wir uns wieder dem eigentlichen Chaostreff-LoRaWAN-Projekt widmen:
Als Ansammlung technikbegeisterter Individuen liegt uns zunĂ€chst erstmal die Erforschung des Themenbereiches LoRaWAN selbst nahe. Wir wollen wissen wie die Technik funktioniert, ihre Möglichkeiten ausloten und erste Erfahrungen mit Nodes in der “freien Wildbahn” sammeln.

Konkret sind unsere nÀchsten Schritte:

  • Aktualisierung der Reichweitenmessung auf TTNMapper.org
  • Entwicklung eigener Nodes auf Basis verschiedener Microcontroller und Plattformen
  • Entwicklung von einfachen Beispielprojekten, um Interessierten einen einfachen und praktischen Einstieg in die Thematik zu ermöglichen
  • Dokumentation des Projektes in unserem Wiki

Avatar
Autor
Coder