LoRaWAN: Die überlegene Konnektivitätsoption für Tracking mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch

12. Oktober 2024
IoT-Fallstudien

1. Einleitung

Das Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) hat die Anlagenverfolgung revolutioniert und innovative Lösungen zur effektiven Überwachung und Verwaltung von Ressourcen bereitgestellt. Unter den verschiedenen verfügbaren Konnektivitätstechnologien ist LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) die optimale Wahl für Fabriken, Häfen, Campusse, Parkplätze, Krankenhäuser und sogar landesweite Verfolgungsprojekte. In diesem Dokument werden die Vorteile von LoRaWAN untersucht, insbesondere im Zusammenhang mit der Verfolgung von Parkplätzen, Fabriken, Lagerhäusern oder Viehbeständen, und es wird gezeigt, warum es die beste Konnektivitätstechnologie für derartige Vorhaben ist.

2. Vorteile von LoRaWAN

2.1 Langstreckenabdeckung

Die LoRaWAN-Technologie ist für ihre weitreichende Reichweite von mehreren Kilometern bekannt. Dies ist besonders vorteilhaft für Parkplätze, auf denen die Autos über große Flächen verteilt sein können, darunter Gebäude, Freiflächen und abgelegene Standorte. Die Fähigkeit, große Entfernungen zu überbrücken, stellt sicher, dass Tracking-Geräte unabhängig von ihrem Standort effektiv mit Gateways kommunizieren können.

Kommunikationsreichweite des Lansitec Badge Tracker:
· 5 km @SF9 mit einigen Gebäuden und Wäldern zwischen dem Tor und dem Tracker.
· 19 km @SF9. Das Gateway befindet sich auf einem 30 m hohen Gebäude an der Küste und der Tracker auf einem Schiff

Solar-Bluetooth-Gateway:
· 3 km @SF9 mit einigen Gebäuden und Wäldern zwischen dem Tor und dem Tracker.

Der Abstand kann durch Erhöhen des SF auf 10, 11 oder 12 vergrößert werden.
Um mehr über die LoRaWAN-Abdeckung zu erfahren, lesen Sie bitte „Welche Faktoren beeinflussen die LoRaWAN-Reichweite im IoT??”

Aufgrund der großen Reichweite eignet sich LoRaWAN ideal für die folgenden Tracking-Projekte:
· Fahrzeug- und Schlüsselortung auf Händlerparkplätzen
· Verfolgung von Offshore-Fischern und -Arbeitern

2.2 Geringer Stromverbrauch

Einer der wesentlichen Vorteile von LoRaWAN ist der geringe Stromverbrauch. Geräte, die LoRaWAN verwenden, können über längere Zeiträume mit einer einzigen Batterieladung oder einer kleinen, nicht aufladbaren Batterie betrieben werden, was für Tracking-Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist, bei denen ein häufiger Batteriewechsel unpraktisch wäre. Diese Funktion reduziert die Wartungskosten und gewährleistet eine kontinuierliche Überwachung von Personal, Fahrzeugen und Anlagen ohne Unterbrechung.

Der im Vergleich zum Mobilfunknetz niedrige Sende- und Empfangsstrom reduziert zudem den Bedarf an Batterieleistung, so dass uns mehr Batterieoptionen zur Verfügung stehen.

MCU: nRF52832
LoRa-HF: SX1262
SF9
Datengröße: 9 Bytes
Bestätigte Nachricht
Durchschnittlicher TX-Strom des Systems: 110,78 mA
Durchschnittlicher RX-Strom des Systems: 4,97 mA
Gesamtstromverbrauch: 16,01 mC, 0,00445 mAh

2.3 Kosteneffizienz

LoRaWAN ist eine kostengünstige Lösung für die Anlagenverfolgung. Die Technologie erfordert keine teure Infrastruktur und ist daher für alle Projekte mit begrenztem Budget zugänglich. Sie verwendet das ISM-Band, das weltweit kostenlos genutzt werden kann, sodass jeder sein eigenes LPWAN aufbauen kann.

LoRaWAN hat niedrige Betriebskosten, wie z. B. minimale Batteriewechsel, verschiedene LoRaWAN-Gateways und Netzwerkserver (NS) zu unterschiedlichen Kosten sowie niedrige Datenübertragungsgebühren, was die Kosteneffizienz weiter steigert. Einige LoRaWAN-Gateways verfügen über einen integrierten Netzwerkserver, was ideal für kleine Projekte ist.

Darüber hinaus können wir zusätzliche Optionen für verschiedene Lieferanten finden, darunter Gerätehersteller, NS- und APP-Anbieter in der LoRa Alliance, um unsere Lösung zu optimieren.

2.4 Netzwerkvielfalt

Einer der wesentlichen Vorteile von LoRaWAN besteht darin, dass jeder sein eigenes LoRaWAN-Netzwerk vor Ort oder in der Cloud für verschiedene Arten von Projekten aufbauen kann. Zusätzlich zu einem privaten Netzwerk können Benutzer auf bestehende landesweite Netzwerke in Ländern wie Frankreich, Belgien und den Niederlanden zugreifen. Diese etablierten Netzwerke bieten umfassende Abdeckung und Infrastruktur für LoRaWAN-fähige Geräte.

Für diejenigen, die einen dezentraleren Ansatz suchen, bietet Helium eine interessante Alternative. Das Netzwerk von Helium ist auf globaler Ebene tätig und basiert auf einem verteilten Netzwerk von Hotspots, die von einzelnen Benutzern verwaltet werden. Dieses dezentrale Modell ermöglicht eine breitere Abdeckung und mehr Flexibilität und ist damit eine attraktive Wahl für IoT-Anwendungen (Internet of Things) weltweit.

Die satellitengestützte LoRaWAN-Kommunikation bietet eine weitere Möglichkeit, Lebendvieh, Fahrzeuge und Container zu verfolgen. Sie bietet einige einzigartige Funktionen:

Globale Abdeckung: Durch die Satellitenkonnektivität wird sichergestellt, dass LoRaWAN-Geräte praktisch von überall auf der Erde aus kommunizieren können, selbst in abgelegenen oder ländlichen Gebieten mit eingeschränkter terrestrischer Netzwerkinfrastruktur.
Skalierbarkeit: LoRaWAN-Satellitennetzwerke können eine große Anzahl von Geräten aufnehmen und eignen sich daher für IoT-Bereitstellungen im großen Maßstab.
Kostengünstig: LoRaWAN-Satellitenlösungen bieten oft eine kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen Satellitenkommunikationstechnologien.
Zuverlässigkeit: Satellitenkommunikation bietet selbst in anspruchsvollen Umgebungen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit.

Benutzer können (zusätzlich zu LoRaWAN) sogar Peer-to-Peer-Kommunikation verwenden, wenn nur wenige Geräte und ein vereinfachtes Netzwerk erforderlich sind, beispielsweise bei einem Warn- und Trackingsystem für Fischer.
Das LoRaWAN-Netzwerk ist also flexibel und kann so klein wie ein Schiff sein, um Segler und Fischer zu verfolgen, oder landesweit, um Behälter, Paletten, und Mietvermögen.

2.5 Netzwerkkapazität

Die Netzwerkkapazität ist bei den meisten Überwachungssystemen kein Problem, da die Berichtsfrequenz gering ist (Minuten bis Stunden) oder ereignisgesteuert sein kann. Bei einem Tracking-Projekt möchten Benutzer jedoch Vermögenswerte oder Personal alle paar Sekunden bis Minuten verfolgen.

Beispiel 1:

GNSS-Tracker: 750 Stück
Berichtsintervall: 5 Minuten
Datengröße: 9 Bytes
SF7, die Kapazitätsrate des LoRaWAN-Gateways beträgt 3,61 TP3T
SF8, LoRaWAN-Gateway-Kapazitätsrate beträgt 7%
SF9, die Kapazitätsrate des LoRaWAN-Gateways beträgt 14%

Um die Netzwerkkapazität zu maximieren und Paketverluste zu minimieren, ist es besser, die Kapazitätsrate unter 15% zu halten.

Beispiel 2:

GNSS-Tracker: 50 Stück
Berichtsintervall: 15 s
Datengröße: 9 Bytes
SF7, die Kapazitätsrate des LoRaWAN-Gateways beträgt 5%
SF8, LoRaWAN-Gateway-Kapazitätsrate beträgt 10%
SF9, die Kapazitätsrate des LoRaWAN-Gateways beträgt 20%

Eine detaillierte Bewertung der Netzwerkkapazität finden Sie in unserer „Bewertung der 8-Kanal-LoRaWAN-Netzwerkkapazität“, PN: 511-00054.

Wie wir aus Beispiel 1 und 2 ersehen können, ist die Kapazität eines LoRaWAN-Netzwerks eine Funktion seiner Gateway-Dichte. Spreading Factor (SF), Datengröße und Bandbreite bestimmen die Kapazität eines Ein-Gateway-Netzwerks. Wir können die Netzwerkkapazität auch erweitern, indem wir weitere Kommunikationskanäle hinzufügen: von 8 auf 16 Uplink-Kanäle in EU868 oder von 8 auf 16 oder mehr (bis zu 64) in US915, AU915 und CN470. Die Kapazität kann auch durch Hinzufügen weiterer LoRaWAN-Gateways erhöht werden.

Für Bluetooth-Gateways und statische Sensoren, ist die Verwendung eines adaptiven Datenratenmechanismus (ADR) unerlässlich. Das Hauptziel von ADR besteht darin, die Batterieleistung der LoRaWAN-Endknoten zu sparen. Wenn die Endknoten, die einem Gateway am nächsten sind, mit dem niedrigsten Spreizfaktor senden, wird ihre Sendezeit minimiert und ihre Batterielebensdauer verlängert. Weiter entfernte Sensoren senden mit einem höheren Spreizfaktor. Es wird ein Kompromiss zwischen Batterieleistung und Entfernung geschlossen, da ein höherer Spreizfaktor es einem Gateway ermöglicht, sich mit weiter entfernten Geräten zu verbinden

Für einen mobilen Tracker ist es jedoch besser, eine feste Datenrate zu verwenden, um Strom zu sparen, während er in unterschiedlichen Entfernungen zum LoRaWAN-Gateway unterwegs ist. Die feste Datenrate sorgt auch für eine stabile Kommunikation mit einem mobilen Gerät, d. h. Trackern.

2.6 Roaming und Mobilität

Bei LoRaWAN sind Endknoten nicht mit einem bestimmten Gateway verbunden. Stattdessen werden von einem Knoten gesendete Daten normalerweise von mehreren Gateways empfangen und an den zentralen Netzwerkserver weitergeleitet, wo die Nachrichten überprüft und sicher an die App weitergeleitet werden. Intelligenz und Komplexität werden auf die Netzwerkserver übertragen, die das Netzwerk verwalten und redundante empfangene Pakete filtern, Sicherheitsprüfungen durchführen, Bestätigungen über das optimale Gateway planen, adaptive Datenraten durchführen und vieles mehr. Wenn der Knoten mobil oder in Bewegung ist, muss die Kontrolle nicht von Gateway zu Gateway weitergegeben werden, was eine wichtige Funktion ist, die die Asset-Tracking-Anwendung ermöglicht.

2.7 Hohe Sicherheit

Sicherheit ist bei jedem Tracking-Projekt von größter Bedeutung, insbesondere beim Umgang mit sensiblen Daten. LoRaWAN verwendet robuste Verschlüsselungsstandards, z. B. AES-128, um sicherzustellen, dass zwischen Geräten und Gateways übertragene Daten sicher und vor unbefugtem Zugriff geschützt sind. Dieses hohe Sicherheitsniveau ist für die Wahrung der Integrität und Vertraulichkeit von Tracking-Informationen unerlässlich.

2.8 Nutzlastgröße, Datenrate und Latenz

LoRaWAN bietet ein vielseitiges Datenübertragungsprofil mit einer maximalen Anwendungsnutzlast von 11–242 Byte (je nach Frequenzband und Spreizfaktor), Datenraten von 255 bps bis 50 kbps und einer Latenz, die je nach RECEIVE_DELAY-Einstellung normalerweise in Sekunden gemessen wird. Diese Parameter übertreffen zwar nicht immer in jeder Hinsicht NB-IoT, CAT-M oder Cat-1, sind jedoch für viele Tracking-Anwendungen gut geeignet.

3. Fallstudien und praktische Umsetzungen

3.1 Autos und Schlüssel auf dem Händlerparkplatz

Lansitec B-Mobile®-Lösung kombiniert Bluetooth-Beacons und Bluetooth-Gateway mit LoRaWAN, um nahtlose Verfolgungsfunktionen für Autos und Schlüssel bereitzustellen. So funktioniert es:

Bluetooth-Beacons: Diese kleinen Geräte können an Schlüsseln befestigt oder am Rückspiegel aufgehängt werden. Sie machen ständig auf ihre Anwesenheit aufmerksam.
Bluetooth-Gateways: Strategisch platzierte Bluetooth-Gateways erkennen diese Beacons, wenn sie in Reichweite kommen. Diese Gateways übertragen dann die Beacon-Daten (Haupt- und Nebendaten, Batteriestatus und RSSI) über LoRaWAN-Netzwerke.
LoRaWAN: Bietet Tracking mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch. Mit einer Reichweite von bis zu 5 km in städtischen Gebieten und über 20 km in ländlichen Gebieten decken LoRaWAN-Gateways große Gebiete ab. Die Chirp Spread Spectrum-Modulation sorgt für Widerstandsfähigkeit gegen Störungen.

Vorteile

Verbessertes Kundenerlebnis: Echtzeit-Tracking verbessert den Kundenservice bei Audits und Interaktionen.
Bluetooth Beacon Lange Akkulaufzeit: Bluetooth-Beacons können über 5 Jahre halten und gewährleisten so eine dauerhafte Verfolgung.
Solar-Bluetooth-Gateway: Der Bluetooth-Empfang des Bluetooth-Gateways kann kontinuierlich nahegelegene Beacons empfangen und sofort an ein LoRaWAN melden. Der geringe Stromverbrauch ermöglicht es, dass das Bluetooth-Gateway wartungsfrei ist.

3.2 Containerverfolgung

Benutzer können LoRaWAN-Gateways an Ports zwischen Inseln, Fabriken und Lagern einsetzen, um eine nahtlose Konnektivität bereitzustellen.

Containerverfolgung: Die Lansitec LoRaWAN Container-Tracker bietet Echtzeittransparenz während des Transports zwischen Inseln. Sie wissen immer, wo sich Ihre Container befinden, ob auf Schiffen, LKWs oder in Lagerplätzen.
Befestigen Sie diese Tracker an Paletten, Maschinen oder anderen Vermögenswerten in Fabriken und Lagern. Überwachen Sie Bewegungen, optimieren Sie Arbeitsabläufe und verhindern Sie Verlust oder Diebstahl.
Überwachung der Maschinennutzung: Behalten Sie die Nutzungsmuster Ihrer Geräte im Auge. Identifizieren Sie im Leerlauf befindliche Maschinen oder erkennen Sie Anomalien im Betrieb.
Vermögensverwaltung: Egal ob Werkzeuge, Ersatzteile oder wertvolle Lagerbestände, dieser Tracker vereinfacht die Anlagenverwaltung mit Bluetooth und überträgt die Informationen über LoRaWAN.

3.3 Mitarbeiterverfolgung

Mit dem Ausweis-Tracker und Helmsensor von Lansitec können Arbeiter auf Baustellen, Ölplattformen oder in Windkraftanlagen auf dem Meer verfolgt werden.

Abzeichen-Tracker

Der Lansitec Badge Tracker basiert auf GNSS-, Bluetooth 5.0- und LoRa-Technologie. Er unterstützt die Ortung im Innen- und Außenbereich. Der Badge wird hauptsächlich für die Personal- und Vermögensverwaltung verwendet.
Der eingebaute 3-Achsen-Beschleuniger kann zur Ermittlung des Bewegungsstatus des Terminals verwendet werden. Dadurch kann er Batterie sparen und das Benutzererlebnis verbessern.

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Helmsensor

Der Lansitec Helmsensor basiert auf GNSS-, Bluetooth5.0- und LoRaWAN-Technologie. Er unterstützt die Ortung im Innen- und Außenbereich.
Es unterstützt verschiedene Funktionen, die zur einfachen Verwaltung in industriellen Umgebungen beitragen. Sein integrierter 3-Achsen-Beschleuniger kann zur Bestimmung des Bewegungsstatus des Terminals verwendet werden. Daher kann es helfen, Batterie zu sparen und das Benutzererlebnis zu verbessern.

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3.4 Hochpräzises UWB-Tracking

LoRaWAN kann zur Datensynchronisierung und -übertragung in einem hochpräzisen UWB-Trackingsystem verwendet werden. Anker, die in einem Abstand von 20 bis 30 m voneinander platziert werden, können dank des geringen Stromverbrauchs von LoRaWAN mehr als 5 Jahre lang batteriebetrieben sein. Tracker mit LoRaWAN und UWB leiten die Entfernungsinformationen an ein LoRaWAN-Gateway weiter, damit der Server seine Position berechnen kann.
Bei dieser LoRaWAN-basierten UWB-Tracking-Lösung werden sowohl Anker als auch Tracker mit Batterien betrieben, was den Wartungsaufwand bei der Bereitstellung erheblich reduziert.

Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, um weitere Informationen zur LoRaWAN-basierten UWB-Tracking-Lösung zu erhalten.

4. Fazit

LoRaWAN erweist sich aufgrund seiner großen Reichweite, seines geringen Stromverbrauchs, seiner Kosteneffizienz und seiner hohen Sicherheit als die beste Konnektivitätstechnologie für ein regionales Trackingprojekt. Durch den Einsatz von LoRaWAN können Parkplätze, Seehäfen, Krankenhäuser und Baustellen ihre Anlagen effektiv überwachen und verwalten und so für mehr Sicherheit und Betriebseffizienz sorgen.