LoRa und BLE bringen Internet der Dinge in die entlegensten Winkel der Erde

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In der Diskussion um IoT wird vielfach davon ausgegangen, dass Konnektivität einfach vorhanden ist. Gerade bei der Planung von Sensor-Netzwerken im Außenbereich ist das jedoch bei weitem nicht der Fall. Hier soll die Funktechnologie LoRa Abhilfe schaffen – und zusammen mit BLE entfaltet sie ihr ganzes Potenzial.

Internet-of-Things-Netzwerke, die Bluetooth Low Energy (auch genannt “BLE” oder “Bluetooth Smart”) verwenden, können aufgrund der geringen Abmessungen der BLE-Module in praktisch allen Bereichen eingesetzt werden. Zudem gewähren sie durch den geringen Energiebedarf eine Batterielaufzeit über Jahre hinweg. Dank der Verbindung mit LoRa (LongRange) bringen sie das Internet der Dinge (IoT) auch in entlegene Regionen der Erde.

Jonathan Kaye Laird Technology (Bild: Laird Technology)
Jonathan Kaye, der Autor dieses Gastbeitrags für silicon.de, ist Product Director Connectivity Solutions bei Laird Technology (Bild: Laird Technology)

Die Vorteile von BLE erlauben es, Sensoren und Aktoren an Orten zu installieren, die mit früheren Generationen von drahtgebundenen und auch drahtlosen Geräten nicht erreichbar waren. Bis jetzt waren diese “Ecken und Winkel” nicht frei wählbar, sondern mussten sich an festgelegten Orten befinden, um die über BLE gesammelten Daten per Telekommunikations-Infrastruktur (zum Beipiel WiFi, LTE) an einen Cloud-Server übertragen zu können. Man könnte annehmen, dass diese Infrastruktur im Jahre 2017 allgegenwärtig ist. Die Realität zeigt aber, dass es sehr große Gebiete gibt, in denen eine ausreichende Internetkonnektivität nicht gegeben ist. Eine Fülle an geographischen Karten zeigt das real vorhandene Netzabdeckungsdefizit auf.

LoRa überträgt Daten und kommuniziert

Die Ausbreitung des IoT ist maßgeblich vom Ausbau der Telekommunikations-Infrastruktur abhängig und wurde bislang durch diese enorm beschränkt. Aber es gibt unzählige Anwendungen, in der IoT-Netze bei der Umwelt- und Geräteüberwachung, Messdatenerfassung, oder der Steuerung von industriellen Prozessen, wertvolle Dienste leisten könnten, wenn nur die Möglichkeit bestünde, gewonnene Daten unabhängig von traditioneller und eventuell gebührenpflichtiger Infrastruktur auch in abgelegenen Gebieten zu senden und zu empfangen.

LoRA-Device (Bild: Laird Technology)
LoRa bietet eine sichere, bidirektionale Kommunikation mit IoT-Netzwerken über lange Distanzen hinweg und über viele Jahre ohne Batteriewechsel (Bild: Laird Technology)

Die Lösung dieses geographischen Puzzles liegt in der Verbindung der oben beschriebenen BLE Kurzstrecken-Technologie mit LoRa (LongRange), einer extrem energiesparenden Funktechnologie, die das Datenrelais für sehr lange Distanzen darstellt. LoRa (PDF), hin und wieder auch als Low-Power Wide-Area-Network (LPWAN) bezeichnet, bietet eine sichere, bidirektionale Kommunikation mit IoT-Netzwerken über lange Distanzen hinweg und über viele Jahre ohne Batteriewechsel. Es kann Signale bis zu 15 Kilometern Entfernung senden und empfangen.

Mit zusätzlichen Gateways kann diese Distanz um Hunderte von Kilometern erweitert werden. Durch die Kombination von BLE mit LoRa müssen Unternehmen ihr Enterprise-IoT (EIoT) nicht auf geographische Standorte beschränken, an denen bereits eine entsprechende Infrastruktur installiert ist.

LoRa: skalierbar und vielseitig einsetzbar

LoRa eignet sich ideal für batteriebetriebene IoT-Netzwerke, da sie wie BLE auch eine “Ultra-Low-Power”-Technologie ist und dadurch für längere Zeit wartungsarm über Batterie betrieben werden kann. Weiterhin können Unternehmen mithilfe einer LoRa-Infrastruktur die hohen Kosten für Mobilfunk-Datengebühren oder Glasfaser-/Kupfer-Installationen für die Cloud-Anbindung umgehen. Ebenso wichtig ist die Fähigkeit von LoRa, in rauen industriellen Umgebungen zu funktionieren, in denen hohe Temperaturen, Vibrationen und elektrische Störungen üblich sind. LoRa ist hochgradig skalierbar, hochinteroperabel, unterstützt viele tausend Knoten und kann öffentliche sowie private Netzanbieter zur Anbindung an das Internet bzw. die Cloud nutzen.

Durch die Kombination von BLE mit LoRa müssen Unternehmen ihr Enterprise-IoT nicht auf geographische Standorte beschränken an denen bereits eine entsprechende Daten-Infrastruktur installiert ist (Grafik: Laird Technology).
Durch die Kombination von BLE mit LoRa müssen Unternehmen ihr Enterprise-IoT nicht auf geographische Standorte beschränken an denen bereits eine entsprechende Daten-Infrastruktur installiert ist (Grafik: Laird Technology).

Die LoRa-Technologie ist für extrem energiesparende Sensornetze optimiert, in denen grundsätzlich geringe Datenmengen ausgetauscht werden und spielt dementsprechend im Bereich des Highspeed-Datastreaming eher keine Rolle.

LoRa+BLE ergänzen sich gegenseitig

Die Webseite der LoRa Alliance bietet tieferen Einblick in die Vorteile und die technischen Fähigkeiten von LoRa. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass sich LoRa und BLE für den Einsatz im Bereich der EIoT-Netzwerke perfekt ergänzen.

BLE verbindet kleine drahtlose Einheiten an jedem Ort und erschafft somit ein integriertes, Personal Area Netzwerk (PAN), das über einen sehr langen Zeitraum ohne Batteriewechsel betrieben und von überall über ein Smartphone oder Tablet gesteuert werden kann. Ebenso ermöglicht BLE durch die drahtlose Verbindung vom Smartphone oder Tablet zum Sensor einen Ersatz von Tasten, Schaltern und Anzeigen an der Sensoreinheit.

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Auch die Konfiguration der Sensorknoten ist über BLE realisierbar, wodurch die Gesamtkosten und auch die Größe der Sensoren reduziert werden. LoRa, als extrem energiesparende Technologie, ermöglicht die Einbindung dieser lokal über BLE vernetzten Geräte, in IoT Netze, an praktisch jedem beliebigen geographischen Ort.

Als Paarung aus zwei Schlüsseltechnologien erlaubt LoRa und BLE eine neue Welle von IoT-Implementierungen praktisch ohne geographische Einschränkungen. Doch wie kann eine solche Integration der beiden Technologien in der Realität aussehen?

IoT-Anwendungen mit Temperatur-, Licht- oder Näherungssensoren

BLE verbundene IoT-Implementierungen mit Temperatur-, Licht- oder Näherungssensoren sind mittlerweile schon öfter im Einsatz. Diese Arten von Sensoren sind sehr häufig in industriellen Umgebungen vorzufinden und typisch für die Anwendung im Umwelt-Monitoring. Ein erstes Beispiel zeigt, wie sich LoRA und BLE in einem typischen Temperatur-Sensor Projekt (PDF) auch in geographischen Gebieten ergänzen, in denen dies ohne die beiden Schlüsseltechnologien bisher nicht möglich war.

Für das Projekt wurde ein typisches Board und ein Temperatur-Sensor verwendet. Durch die Verwendung eines kombinierten LoRa/BLE-Moduls als Herzstück macht sich die Applikation LoRa für den Langstreckentransport der Daten zunutze, während BLE die lokale Vernetzung der einzelnen Sensoren vor Ort übernimmt.

LoRa eignet sich ideal für batteriebetriebene IoT-Netzwerke, da sie eine „Ultra-Low-Power“-Technologie ist und so für längere Zeit wartungsarm über Batterie betrieben werden kann (Bild: Laird Technology).
LoRa eignet sich ideal für batteriebetriebene IoT-Netzwerke, da sie eine „Ultra-Low-Power“-Technologie ist und so für längere Zeit wartungsarm über Batterie betrieben werden kann (Bild: Laird Technology).

Der Reiz dieses Beispiels liegt darin, dass es oberflächlich wie alle anderen Projekte aussieht: grundsätzlich ist es immer noch ein BLE-basierter IoT-Ansatz. Ein genauerer Blick macht aber deutlich, dass diese Art von Implementierung Türen öffnet, die IoT-Anwendungen vorher verschlossen waren. LoRa öffnet diese Türen, ohne Ingenieure zu zwingen, ihre Design-Gewohnheiten radikal zu ändern.

Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie LoRa und BLE zusammen verwendet werden können. Weitere Beispiele, die die immense Auswirkung dieser Kombination auf den IoT-Markt unterstreichen, werden von Ingenieuren kommen, die sich schon länger wünschten, drahtlose Netzwerke in Gegenden auszubringen, in denen es bisher an der entsprechenden Infrastruktur fehlte. Nun wird das Ausbringen von Sensor-Netzwerken nicht mehr durch die geographische Lage des Zielortes beschränkt. Der Fantasie der Ingenieure sind somit kaum noch Grenzen gesetzt.

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