Austausch zum Thema LoRaWAN

Hi zusammen,

da es wohl keinen richtigen Bereich für das Thema gibt, packe ich es einfach mal hier rein. Das soll eine Mischung aus Projektvorstellung, allgemeiner Austausch und Hardware- & Softwareinfos werden.

Es geht um das Thema LoRaWAN (wer nicht weiß was das ist, dazu hier und hier Infos dazu). Ich hatte schon 2022 ein kleinwenig damit zutun und Anfang 2023 habe ich mir dann ein eigenes Gateway + Antenne gekauft und beides provisorisch bei meinem Arbeitgeber aufgehangen. So weit so gut. Das war bisher der einfachste Teil, aber wirklich spektakulärer wird es nicht. Insgesamt ist das Thema recht trocken. Das wichtigste ist ein guter Standort für das Gateway, und wenn der Rest erst mal läuft, muss man nicht mehr wirklich dran.

Da ich ein Fan davon bin bei Projekten grundsätzlich auch von Minuten 1 an einen praktischen Nutzen zu haben, kamen noch 3 Sensoren dazu, die die Luftfeuchtigkeit und Temperatur in den 3 Serverräumen meines AG zu messen. Wäre ja irgendwie auch nicht wirklich Clever ein Gateway zu haben, aber keine brauchbaren Daten.

Los ging es im März 2023. Da habe ich das Gateway bestellt und wie bereits gesagt, provisorisch im 3. Stock eines Bürogebäudes aufgehangen. Der Standort ist aber alles andere als optimal. Gateway sowie Antenne hängen innen. So komme ich mit der Reichweite nur bis ins Erdgeschoss. Der nächste Sensor hängt Luftlinie ca. 1km entfernt und der dritte Sensor hängt Luftlinie ca. 2km weit vom Gateway weg. Normalerweise sollte das kein Problem sein, da die Antenne aber innen hängt, geht viel von der Reichweite verloren. Im Schnitt sollte diese bei ca. 10km liegen und nicht nur wenige Meter. Die Problematik mit der Reichweite fiel mir im Laufe des Jahres auf, da zwei Sensoren erst in der letzten Jahreshälfte dazukamen.

Grundsätzlich war klar, dass ein anderer Standort her musste. Diesen hatte ich auch bereits auf dem gleichen Gelände, aber bevor ich mich darum kümmerte wollte ich zuerst schauen wie es allgemein um die weitere Technik und natürlich auch um die Software steht. Wenn das alles zu kompliziert sein sollte, brauche ich auch nicht woanders hinhängen, dann hätte sich das Thema an der Stelle schon früh wieder erledigt.

Mir war von Anfang an klar, dass ich das Gateway an das The Things Network (TTN) anbinden werde. Das war auch recht einfach und schnell gemacht. Hier bin ich aber auf ein neues Problem gestoßen. Im besten Fall organisiert man sich im TTN in Communities um Ressourcen zu organisieren, die Abdeckung zu erhöhen und vielleicht auch die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Beitritt einer Community ist nicht notwendig, gehörte für mich aber dazu. So weit zur Theorie. In meiner Umgebung gibt es zwei Communities. Die eine mit 14 Gateways die sich in und um die nächst größere Stadt sammeln, und die andere mit derzeit 5 Gateways die sich aber ordentlich verteilen. Das würde ich nicht als Netzwerk im Sinne meiner aufgelisteten Vorteile sehen.

Über das TTN selbst habe ich versucht mit den Communities in Kontakt zu treten. Das hatte aber nicht funktioniert, bis heute habe ich keine Antwort bekommen. Insgesamt blieb ich dann 3 Monate solo im TTN. Ich kann heute nicht mehr genau sagen was mich veranlasst hat das TTN wieder zu verlassen, aber es waren z.B. die Beschränkungen des TTN selbst und ich meine dass ich Probleme hatte die Daten aus dem TTN herauszubekommen. Aber wie gesagt, da bin ich mir heute nicht mehr ganz sicher.

Der nächste Schritt war dann, das TTN wieder zu verlassen und meinen eigenen, privaten Netzwerkserver zu betreiben. Hauptsächlich auch, damit ich das mal gemacht und gesehen habe. Der eigene Netzwerkserver sollte erst mal ein Provisorium zum testen sein bis ich Antwort der Communities erhalte. Aber wie sagt man? "Nothing is more permanent than a temporary solution." Anfang Juni 2023 habe ich dann meinen Chirpstack Server installiert, konfiguriert und das Gateway verbunden. Insgesamt hat das so einfach funktioniert, dass ich glaubte, was vergessen zu haben. Ja und nein. Das Gateway hat sich verbunden, die Sensoren wurden angezeigt und haben Daten geliefert. Allerdings nur einmal die Stunde.

Das war mir für eine Temperaturüberwachung zu wenig. Also musste ich den Sensoren beibringen Daten alle 10 - 15 Minuten zu senden. Hierbei muss man aufpassen, da die Frequenzen einfach ausgedrückt "Fair Use" sind. Theoretisch könnte man die Aktualisierung auf eine Minute stellen, aber so kann man andere Sensoren im Netzwerk auch blockieren wenn das jeder macht. Leider finde ich diese Info nicht mehr, aber es sollte nicht weniger als 5 Minuten sein. Hier stand ich kurz auf dem Schlauch wie das zu machen ist, aber dafür sendet man einfach die HEX Daten über Chirpstack an den Sensor. Den Wert umzurechnen war nicht einfach, aber das Handbuch zum Sensor und eine Googlesuche haben geholfen.

Sow eit so gut (mal wieder). Ich habe also einen funktionierenden Netzwerkserver der mit dem Gateway verbunden ist und Daten von den Sensoren erhält. Jetzt habe ich aber das gleiche Problem wie im TTN. Wie komme ich an meine Daten und kann diese sinnvoll weiterverarbeiten. Auch das war überraschenderweise kein Problem. Was es brauchte war eine ordentlich eingerichtete InfluxDB. Dort dann einen Zugang eingerichtet und über eine Integration in Chirpstack hinzugefügt. Seit dem wurden alle Daten der Sensoren an die InfluxDB weitergeleitet und dort gespeichert.

Grundsätzlich war es das auch schon. Ich habe mich aber dafür entschieden, das ganze über einen Proxy erreichbar zu machen, damit nicht alles blank im Internet steht, was nicht direkt erreichbar sein muss. Das hatte zur Folge, dass ich insgesamt 3 virtuelle Server für das Projekt betreibe.

Server 1 stellt den Proxyserver der über ein privates LAN die Daten an den Chirpstack und die InfluxDB weiterleitet. Der Chirpstack und die InfluxDB sind direkt miteinander über ein privates LAN verbunden. Um das ganze etwas zu vereinfachen, hier die aktuelle Übersicht:

Für die Visualisierung nutze ich Grafana. Der Grafanaserver läuft bei mir auf einem meiner Homeserver. Der Server greift nicht auf die InfluxDB selbst zu, sondern über den Proxyserver mit data.example.com. Das Gateway muss direkt auf den Chirpstackserver zugreifen können, hier habe ich noch keine Möglichkeit gefunden dass das zuverlässig über den Proxy funktioniert. Vor dem Proxy und generell den Server gibt es noch einfaches Firewalling und Hostbeschränkungen sofern es sinnvoll ist. Später möchte ich auch noch die ACL Funktion des Proxy nutzen, aber das hatte bisher auch nicht richtig funktioniert.

Mein Grafana Dashboard sieht so aus:

Aktuell nur ein Sensor. Oben jeweils der letzte gemessene Wert, unten ein Verlauf über den eingestellten Zeitraum. Normalerweise die letzten 6 Stunden. Da das Netzwerk aktuell offline ist, habe ich hier einfach eine Woche aus dem Dezember genommen.

Warum ist das Netzwerk offline? In KW2/2024 oder KW3/2024 möchte ich das Gateway an einem besseren Platz aufhängen. Das wird, sofern alles gut geht, auf einem Containerkran sein. Schön weit oben mit freier Sicht in alle Richtungen. Ich behaupte einfach mal, dass das ein Premiumplatz ist. Wird sich dann später zeigen wird.

Zum Schluss möchte ich dann noch kurz die von mir verwendete Hardware und Software auflisten.

• Cloudserver von Hetzner mit ARM CPU
• Chirpstack, InfluxDB und der Nginx Proxy Manager haben jeweils einen eigenen Server und laufen über Docker (Compose)
• tägliche Backups über die Hetzner Backupfunktion sowie zusätzlich 4x täglich über ein eigenes Script auf einen meiner Homeserver
• Gateway: MikroTik LoRaWAN - wAP LoRa8 kit und Antenne: MikroTik LoRaWAN - Omni Antenne 824-960 MHz)
• Sensoren: Dragino LHT65N-E3 LoRaWAN Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

Ganz vergessen... In unregelmäßigen Abständen informiere ich auch auf meiner Seite über das Projekt: https://www.kragt.io/lorawan

Ich würde mich sehr über Feedback, Fragen und allgemein einen Austausch zum Thema freuen.
Vielleicht findet sich ja hier sogar jemand der selbst ein LoRaWAN Netzwerk am laufen hat.

Zitat von Blacksonny

Echt cool, dass du das mit uns teilst! Ich persönlich habe davor nie von so etwas gehört oder ansatzweise gesehen. Kenne mich mit der Materie nicht aus, aber fand es interessant zu lesen

Ich habe davon auch nur zufällig erfahren da in einem anderen Forum jemand einen Sponsor für seine Infrastruktur gesucht hatte. Da hatte ich mich mal genauer informiert und mir eigentlich direkt gedacht "jo, bin dabei". Vorher wusste ich schon dass es sowas gibt, aber ich wusste nicht genau wie, wo und was. Ein paar Parkleitsysteme funktionieren z.B. auch damit.

Die größte Herausforderung ist gute Standorte zu finden. Zumindest benötigt man Strom. Die Gateways von Mikrotik haben auch ein LTE Modul integriert um die Daten loszuwerden. Da reicht das kleinste Volumen das man bekommen kann, die Telekom bietet sogar IoT Tarife an die irgendwas um die 2€/Monat je Karte kosten.

Zitat von flyingtable07

Ich hätte nicht gedacht, dass die Datenmenge von LoRaWAN so beschränkt ist. Alle 5 Minuten nur einen Wert kommt mir echt wenig vor.

Es ist weder ein Ersatz für WLAN noch für Mobilfunk. Warum das wenig sein soll, musst du mir erklären. Ich hätte z.B. keinen Vorteil davon minutengenau zu wissen wie die Temperatur ist. Ich kann das natürlich auch auf minütlich einstellen oder sogar noch weniger. Aber wenn das jeder macht und jeder auf einem Egotrip ist, hat am Ende keiner was davon. Ausgebliebene Übertragungen werden nochmal gesendet. Ich bin mir da zwar jetzt nicht sicher, aber ich glaube dass man dann das Problem haben könnte, dass man veraltete Daten empfängt. Wenn sie denn ankommen... Das TTN begrenzt die Aktualisierung sogar auf 30 Minuten, zumindest in der kostenlosen Variante.

Die LoRaWAN Datenraten sind dabei auch von 0,3 kbit/s bis zu 50 kbit/s begrenzt. Es geht einzig und alleine um die schnelle, flächendeckende und zuverlässige übertragung von Sensordaten.

Es gibt natürlich die Möglichkeit das lokal zu begrenzen indem man indoor Gateways benutzt. So könnte man z.B. auch eine Alarmanlage realisieren. Sensoren für Bewegung, Präsenz und Fenster offen/zu gibt es auch. Bei sowas wäre es natürlich gut dass man Änderungen schnell mitbekommt. Aber dann würde ich andere technologien verwenden. Lokal würde ich eher auf WLAN setzen.

Das ganze hat sogar einen Vorteil den ich vergessen habe oben zu erwähnen. Die Sensoren funktionieren mit Batterien. Und die halten bis zu 10 Jahre. Der Batteriezustand wird natürlich auch vom Sensor übertragen.

In den letzten Wochen und vor allem Tagen ist es noch einmal, zumindest für diese Art von Projekt, spannend geworden.

Da der Landkreis MYK ab dem 1.7.2024 ein eigenes, öffentliches, gefördertes und flächendekendes Netz in Betrieb nimmt, habe ich mich kurzerhand entschlossen mein Gateway am aktuellen Standort abzubauen und an einer anderen Stelle aufzuhängen. Das neue Netz werde ich ebenfalls für die aktuell vorhendenen Sensoren nutzen. Abzuwarten bleibt, wie flächendeckend es wird. Ich kann mir vorstellen, dass es z.B. bei mir im Ort keinen Empfang geben wird. Geografisch liegt der Ort zwar recht hoch, aber in einer entlegenen Ecke im Landkreis. Bleibt abzuwarten. Allerdings habe ich hier mein eigenes Gateway hängen, daher habe ich hier sowieso kein Problem.

Außerdem habe ich die Info bekommen, dass mein Arbeitgeber (Versorger) ein eigenes Netz plant um Daten abzurufen. Dafür ist ein öffentliches Netz nicht geeignet und gewünscht, daher denke ich, dass ich an der Stelle auch noch mal aktiv werde.

Es haben viele Gespräche stattgefunden und ich habe mich im Anschluss daran spontan für eine 180° wende entschieden. Insgesamt ist das aber eine gute Entwicklung wie ich finde.

Ebenfalls habe ich das zum Anlass genommen, meine Projektseite auf einen aktuellen Stand zu bringen. Die Wall-of-Text ist eigentlich nur noch größer geworden 😅 Ich versuche aber ein paar Interessante Bilder zu machen, Diagramme einzufügen und sonst mal schauen wie ich das etwas auflockern kann. Den Anfang macht ein recht trockenes Beispiel einer Integration der Daten (mit Echtdaten!) auf der Projektseite. Ansonsten ist der Informationsgehalt einfach sehr hoch.

Abschließend bin ich nachwie vor an einem Informationsaustausch interessiert. Dabei ist es egal ob Privatperson, Community, Verein oder sogar Firmen. Im Grunde gibt es eigentlich für alles z.B. einen Anwendungsfall.

Ich versuche mal das Thema etwas genauer zu beschreiben.

LoRaWAN ist eine Funknetzwerk mit dem man Sensordaten über große Reichweiten senden und empfangen kann. Je nach Antennenstandort und Bebauung rundrum können Entferungen von 5 bis 10 km erreicht werden. Die 5 km erreicht man im städtischen Gebiet und die 10 km sind eher im ländlichen Raum realistisch. Ich brauche also für ein Großes Empfangsgebiet nur eine Antenne (bzw. Gateway) und erreiche damit hunderte von Sensoren. Das Gateway selbst braucht auch keine besondere Infrastruktur. Strom und Zugang zum Internet reichen. Es gibt auch Gateways die mit Solar und Akku betrieben werden können. Hat man keinen Zugang zu einem klassichen Internetzugang, kann man auch einen LTE Uplink verwenden. So kann man ein Gateway auch mitten in der Pampa im Wald aufhängen wenn man das möchte und braucht.

Was man hier also für Vorteile hat sind:

• hohe Reichweite
• vergleichsweise günstig zu anderen Arten der Anbindung
• unabhängigkeit von lokaler Infrastruktur
• unabhängigkeit bei lokalen Ausfällen

Dass ich Sensoren für Klima (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) verwendet habe, hat rein praktische Gründe. Zum einen war es für mich ein relativ einfacher Einstieg da die Sensoren vergleichsweise günstig sind und ich auch einen realen Anwendungsfall habe und die Sensoren somit nicht einfach so irgendwo hängen damit irgendwo was hängt.

Neben den Klima Sensoren gibt es natürlich noch sehr viele weitere Sensoren. Unter anderem sind das:

• CO2 Messer
• Personenzähler
• Präsenzsensoren / Bewegungsmelder
• Tür- und Fensterkontakte
• Rauchmelder
• Abstands- und Füllstandsensoren
• Heizungsthermostate
• Leckagesensoren
• Relais zur Steuerung von Anlagen

Etwas spezieller, aber aufgrund meines Arbeitgebers für mich interessant:

• Überwachung von Trafostationen (Erd- und Kurzschlusserkennung)
• Ablesung von Strom-, Wasser-, Gas- und Fernwärmezählern
• Sensoren für Smarte Straßenbeleuchtung
• Flusssteuerung und -überwachung im Wasserversorgungsnetz
• Parkraumüberwachung

Mit etwas selbstbau ist auch noch viel mehr möglich:

• z.B. Geigerzähler
• USB Dongles für z.B. einen Raspberry Pi um eigene Sensorik einzubinden

Wenn man also ein bisschen Vorstellungskraft hat, kann man ziemlich viel Steuern und Überwachen. Viele Sensoren (speziell die in der ersten Aufzählung) sind Batteriebetrieben und haben eine Laufzeit von bis zu 10 Jahren. Über das Netzwerk erhält man natürlich auch den Status der Batterie, damit man früh genug wechseln kann.

Hier mal ein paar praktische Beispiele:

Für eine Serverraumüberwachung kann man die Tür mit Türkontakten ausstatten damit man weiß wann jemand rein und raus ist oder sieht wenn die Tür aufsteht. Die Temperatur- und Luftfeuchtesensoren überwachen das Raumklima. Rauchmelder melden Rauchentwicklung oder einen Brand. Ein Leckagesensor warnt vor einem Wasserleck wenn durch den Raum Versorgungsleitungen laufen. Die Daten lassen sich zum einen übersichtlich in einem Dashboard anzeigen, allerdings kann man natürlich auch bei einem kritischen Ereignis per Pushbenachrichtigung gewarnt werden. SMS, E-Mail, Teams, Discord, ..... Ein Anruf sollte mit einer Entsprechenden Anbindung an die notwendige Technik ebenfalls aöglich sein.

Die öffentlichen Mülleimer einer Stadt können mit Füllstandssensoren ausgestattet werden. So melden die Mülleimer selbst wenn sie geleert werden müssen. Die Stadtreinigung fährt somit effiziennter durch die Stadt und nicht auf verdacht jeden Mülleimer an.

In Hotels oder öffentlichen Gebäuden können mit smarten Thermostaten die Heizung zentral gesteuert und überwacht werden. So kann man einfach Heizkosten senken und wenn man das mit anderer Sensorik kombiniert auch noch intelligent steuern.

Ich kann gerne noch mehr Beispiele bringen, aber die kleine Auswahl sollte klar machen was alles geht. Das sind auch alles Beispiele, die so in der echten Welt verwendet werden. Das ist nichts was ich mir ausgedacht habe.

Bei all diesen Beispielen ist es wichtig, dass man zentrale Gateways hat, zu denen die Sensoren die Daten senden können. Durch die hohe Reichweite brauche ich vielleicht nur 3 Gateways anstatt alle (im besten Fall) 50 Meter einen WLAN Accesspoint. Bei mir in Haus und Garten brauche ich derzeit 6 AccessPoints damit ich überall Empfang habe. Weiten wir das auf die ganze Stadt aus, sind das ein x-Faches an AccessPoints die ich brauche (mal abgesehen davon, dass ich auch passende Sensoren bräuchte). WLAN ist auch gerade eher in der Stadt Störanfällig. Der 2,4 GHz Band ist voll und 5 GHz hat eine zu geringe Reichweite (besonders wenn Wände dazwischen sind).

Womit wir auch schon beim Preis wären. Das Gateway plus Antenne kostet 200€, Stromkosten sind ca. 20€ pro Jahr. Also absolut überschaubar. Der letzte AccessPoint den ich mir gekauft habe, hat 140€ gekostet. Stromverbrauch pro Jahr ca. 30€. Die Anschaffungs- und Betriebskosten kann sich jetzt jeder selbst ausrechnen.

Zudem bieten clever aufgestellte Gateways eine Ausfallsicherheit. So kann in einem Teil der Stadt z.B. Strom und Internet ausfallen, ein anderes Gateway das von diesem Ausfall nicht betroffen ist, leuchtet den ausgefallenen Bereich dennoch, zumindest zum Teil, aus. Gerade bei Türkontakten, Rauchmeldern oder anderen kritischen Sensoren ist das besser. WLAN in diesem Bereich wäre einfach aus und nicht erreichbar.

Ich hoffe ich konnte das Thema etwas genauer beschreiben und auch Anwendungsfälle näher bringen. Falls nicht biete ich gerne an auf einige Dinge auch nochmals einzugehen.

Zitat von evarioo

Also ich verstehe wie immer nur Bahnhof. Was ich meine verstanden zu haben das es um Luft / Temperatur Sensoren geht die über ein spezielles netz angeschlossen sind. Verstehe nur nicht so ganz warum wir alle begeistert sind? Klar, will dir da auf keinen Fall den Spaß dran rauben aber findet ihr nicht das wir 2024 schon viel weiter sind? Oder ihr klärt mich auf! Vielleicht kann ich mich dann auch etwas mehr begeistern dafür.

Du musst mir jetzt bitte ganz dringend erlären, was an LoRaWAN in 2024 Rückständig ist? Ich finde es ja völlig OK wenn man diverse Themen nicht versteht oder diese zu abstrakt sind und man sich nicht näher damit beschäftigen möchte. Kenne ich selbst. Aber du scheinst hier ja eine feste Meinung zu haben.

Zitat von evarioo

BTW. Kennt jemand freefunk? Das so kostenloses wlan und das kann man auch als Netzwerk aufbauen. Ist das sowas?

Du meinst Freifunk, nicht Freefunk. Ebenfalls völlig verschiedene Dinge. Warum WLAN für sowas nicht geeignet ist, habe ich oben erklärt. Für fast alles was man mit LoRaWAN macht, möchte man auch möglichst nicht auf fremde angewiesen sein oder die Daten durch fremde Netzwerke schicken.

Ja, auch bei LoRaWAN ist man, wenn man nicht selbst Hand anlegt, auf fremde angewiesen. Ich beobachte z.B. im TTN hier in der Region immer wieder Gateways kommen und gehen. Um da langfrisitg was aufzubauen würde ich mich da persönlich nicht drauf verlassen. Und da LoRaWAN (LoRa = Long Range) eine deutlich höhere Reichweite hat als WLAN, kann man auch selbst ohne großen Aufwand oder Kosten ein große Gebiet abdecken.