De kracht van LoRaWAN voor sensornetwerken

Technologie
De kracht van LoRaWAN voor
sensornetwerken
Een groot deel van het Internet of Things bestaat uit draadloze sensoren en
actuatoren die maar een of twee eenvoudige taken hebben. Voor deze things
zijn bereik en operationele levensduur belangrijker dan databandbreedte.
Energiezuinige netwerken met een groot bereik en een hoge densiteit staan
dan ook volop in de belangstelling. LoRaWAN is zo’n netwerk.
Dataverkeer kost energie
We zijn gewend aan 4G en wifi. We streamen muziek naar
onze smartphone en bekijken films op een tablet. Vanaf
een bankje in het park loggen we met een laptop in op het
bedrijfsnetwerk. Deze activiteiten hebben een ding
gemeen: er gaat veel digitale informatie door de ether en
dat kost energie. Dataverkeer met hoge bandbreedtes
trekt batterijen en accu’s snel leeg. Smartphones en
laptops moeten dagelijks aan de oplader. Dat is meestal
geen optie voor draadloze sensoren. Een rookmelder of
een vochtsensor moet maanden, liefst jaren in de lucht
blijven. Communicatie via een gsm- of wifinetwerk kost te
veel energie, zelfs wanneer de batterijen tussentijds
worden opgeladen met zonnecellen. Het veel zuinigere
bluetooth biedt evenmin soelaas: het bereik is te klein.
Omdat sensornetwerken relatief weinig dataverkeer
genereren, is er vraag naar alternatieve oplossingen.
Low Power, Wide Area Network
Het antwoord ligt in netwerken met een enorm bereik, een
heel laag energieverbruik en een hoge densiteit (de
capaciteit om verbinding te maken met veel apparaten).
LoRaWAN is zo’n Low Power, Wide Area Network (LPWAN).
Het werkt met de LoRa-radiofrequentietechnologie (zie
kader) en heeft een zogenaamde star-of-stars-topologie
(zie schema pagina 05). De sensoren of actuatoren (de
nodes) zijn verbonden met LoRaWAN-gateways. Deze
verzorgen het transport van berichten tussen nodes en
een LoRaWAN-netwerkserver, die het netwerk beheert.
04
In theorie kan één gateway duizenden nodes bedienen. Dit
aantal is sterk afhankelijk van de hoeveelheden verzonden
data. Voor praktische toepassingen is het aantal nodes
per gateway meestal enkele honderden.
In Nederland zijn twee LoRaWAN-providers actief die
gateways plaatsen. Een daarvan, The Things Network
(TTN), is een fair-use-organisatie. Technolution is hier ook
lid van en op het dak van ons kantoor in Gouda staat een
LoRa-gateway. TTN heeft veel vertrouwen in LoRaWAN en
werkt hard aan de uitbreiding van de dekkingsgraad. De
organisatie is er bijvoorbeeld in geslaagd om heel
Amsterdam binnen zes weken van LoRaWAN-dekking te
voorzien. De andere LoRaWAN-provider in Nederland is
KPN, die de dienst aanbiedt op abonnementsbasis. Ons
land loopt internationaal voorop met de dekkingsgraad
van LoRaWAN. Het gebruik van de term ‘Wide Area’ is in
het geval van LoRaWAN zeker niet overdreven. De gateway
op ons dak in Gouda was bij een eerste test al bereikbaar
voor een node in Zoetermeer. Dat is een afstand van meer
dan vijftien kilometer.
Dataverkeer via LoRaWAN
Het lage energieverbruik van LoRaWAN heeft wel een
keerzijde. De data-rate is bescheiden: tussen de 0,3 en 50
kb/s. Dit is bepalend voor de maximale afstand van
de node tot de gateway; hoe lager de data-rate, hoe groter
de afstand kan zijn. De data-rate bepaalt ook de duur
van de transmissie en daarmee de capaciteit (het aantal
LoRa-radiofrequentie
LoRaWAN werkt met de LoRa (Long Range) frequentiemodulatie-technologie die
is ontwikkeld door Semtech. LoRa is gebaseerd op de zogenaamde spreadspectrum-techniek en gebruikt een variant van chirp spread spectrum (CSS).
Hierbij wordt gewerkt met de modulatie van breedband FM-pulsen. De te
verzenden gegevens worden gecodeerd door het verhogen en/of verlagen van de
frequentie over een bepaalde periode. De CSS-techniek zorgt voor een zeer hoge
signaalgevoeligheid en een laag energieverbruik. LoRa kan signalen demoduleren
die tot 19,5 dB onder de ruisvloer liggen, terwijl vergelijkbare systemen een
signaal van 8 tot 10 dB boven de ruisvloer nodig hebben. Het gevolg is dat LoRasignalen een groot bereik hebben. Ze dringen ver door in gebouwen en hebben
vrijwel geen last van reflecties. LoRa beschrijft dus de radiotechnologie die
gebruikt wordt in de netwerktopologie LoRaWAN.
nodes) per gateway. Een LoRaWAN-node kan per transmissie één datapakketje
verzenden, met liefst een zo klein mogelijke payload (de ‘nuttige’ lading).
Het daadwerkelijke maximumaantal te versturen bytes is afhankelijk van de
hiervoor vermelde factoren.
Geschikt voor sensornetwerken
De lage data-rates van LoRaWAN lijken beperkend voor ontwikkelaars. Toch zijn
het juist deze beperkingen die LoRaWAN geschikt maken voor sensornetwerken.
Een LoRa-node communiceert in half-duplexmodus: hij kan zenden en ontvangen,
maar niet tegelijkertijd. Een LoRa-gateway kan van acht nodes gelijktijdig data
ontvangen; zenden kan slechts naar één node tegelijk. Een sensornetwerk heeft
echter veel meer dan acht nodes per gateway. Daarom is het van belang om de
duur en hoeveelheid van transmissies door nodes goed te organiseren en te
zorgen voor voldoende gateways. Wanneer nodes kleine transmissies doen met
een ingestelde periode, bijvoorbeeld één keer per vijf á tien minuten, kan een
gateway toch communiceren met honderden nodes.
= nodes
De lage data-rate is voor de meeste sensornetwerken geen probleem.
De hoeveelheden data die een sensor wil sturen, zijn doorgaans niet groter dan
een paar bytes. Het gevolg is wel dat draadloze software-updates op dit moment
niet mogelijk zijn via LoRaWAN.
= netwerkserver
= gateways
Prioritering van security
Bij veel sensornetwerken die werken met LoRaWAN, heeft security geen hoge
prioriteit, omdat er geen gevoelige data over het netwerk worden verzonden.
Daarnaast zijn de sensordata alleen lokaal beschikbaar voor wie het LoRa RFsignaal kan ontvangen. Security tussen nodes en gateway wordt al belangrijker
wanneer LoRaWAN wordt gebruikt om actuatoren aan te sturen. Daarmee
worden immers processen en apparaten aangestuurd.
05
LoRaWAN biedt ingebouwde 128-bits AES-versleuteling op twee niveaus: netwerk en
applicatie. Wanneer een node voor het eerst wordt geactiveerd, doet deze automatisch
een ‘handshake’ met de gateway en maakt de node zijn netwerkbeveiligingssleutel
bekend. Hierna wordt de node in het netwerk opgenomen. Deze methode wordt Over
The Air Activation (OTAA) genoemd. Wanneer iemand veel sensornodes in een netwerk
wil plaatsen, is dit de snelste methode. Een andere methode is Activation By
Personalization (ABP). Hierbij worden de beveiligingssleutels van de nodes vooraf
kenbaar gemaakt aan de gateway. Zodra een van de geregistreerde nodes actief wordt,
zal de gateway deze in het netwerk opnemen. Onbekende nodes worden afgewezen
door de gateway. De ABP-methode is in principe veiliger dan de OTAA-methode. Als het
zeker is dat de node contact zal leggen met de juiste gateway, is de OTAA-methode
afdoende. Er is ook een 128-bits AES-beveiligingssleutel op applicatieniveau. Die
voorkomt dat het netwerk of de netwerkoperator de applicatiedata kan inzien.
Er gaat veel
digitale informatie
door de ether en
dat kost energie
LoRaWAN in de praktijk
Het sensornetwerk Sense2Grow is gebaseerd op LoRaWAN-technologie. Het is door
Technolution ontwikkeld voor toepassingen in onder meer de glastuinbouw. Het
systeem bestaat uit sensornodes, een WIO-node (wireless I/O), LoRaWAN-gateways en
webapplicaties voor datapresentatie en -analyse. Het is een open platform: elke
LoRaWAN-sensor kan op Sense2Grow aanhaken, ook nodes van andere partijen.
Sense2Grow is daardoor een evolutionair systeem, dat zal doorgroeien naar andere
toepassingen.
Technolution heeft tot nu toe twee sensornodes ontwikkeld voor Sense2Grow: een
rooksensor en een temperatuursensor. Ze zijn voorzien van zonnecellen die in een
normaal verlichte omgeving meer dan genoeg energie leveren voor de communicatie
tussen nodes en gateways en het opladen van de batterij. De overtollige energie van de
zonnecel wordt in de temperatuursensor gebruikt om een ventilator te laten draaien.
Die voorkomt dat de sensor wordt opgewarmd door direct zonlicht op de behuizing. De
verwachte operationele levensduur van de nodes is vijf jaar.
We hebben ook een WIO-node (Wireless I/O) ontwikkeld. Deze biedt I2C-, SPI-, RS485en GPIO-interfaces en maakt het mogelijk om apparatuur van derden te koppelen aan
het Sense2Grow-systeem. Nieuwe sensoren, zoals een CO2-sensor, zijn momenteel in
ontwikkeling.
06
Sense2Grow
Brandpreventie en temperatuurmeting in de kas
Glastuinbouwers kampen met verhoogde brandrisico’s. De hete groeilampen
kunnen exploderen, waardoor brand kan ontstaan. Zo’n brand begint meestal met
smeulende materialen en rookontwikkeling. Wanneer de Sense2Grow-rooksensor
rook detecteert, stuurt deze via de gateway een signaal naar de gekoppelde
alarminstallatie. De tuinder kan ingrijpen voordat de vlammen uitslaan.
Temperatuurschommelingen zijn te verwachten in een kas van meerdere hectares.
Maar hoe groot zijn die schommelingen? Tuinders zien de effecten van lagere of
hogere temperaturen aan de groei van hun gewassen. Toch hebben ze vaak geen
inzicht in de omvang of de precieze locatie van de temperatuurverschillen. Door
een fijnmazig netwerk van temperatuurnodes in de kas te plaatsen, kan het
Sense2Grow-systeem een heatmap van de kas genereren. Dit leidt soms tot
verrassende inzichten: een van de Sense2Grow-gebruikers ontdekte
temperatuurverschillen van meer dan tien graden in zijn kas over een afstand van
slechts honderd meter!
Andere toepassingen met LoRaWAN
Het is niet moeilijk om andere toepassingen te bedenken voor sensornetwerken op
basis van LoRaWAN. Met name situaties met langzaam veranderende
omgevingsfactoren zijn geschikt. We onderzoeken nu de bewaking van het
smeervetniveau in vetpotten van assen en lagers in zware machinerieën.
Luchtkwaliteit is ook zo’n omgevingsfactor. Het ammoniakgehalte in varkenstallen
kan met LoRaWAN-sensoren worden gemeten, of het fijnstofgehalte in de lucht van
drukke binnensteden. Dit zijn allemaal situaties die nu meestal handmatig met een
dagelijkse interval worden gecontroleerd. Met de inzet van een LoRaWANsensornetwerk valt hier veel tijd en efficiëntie te winnen.
De toekomst van LoRaWAN
LoRaWAN is nog volop in ontwikkeling. De groei van het Internet of Things zal deze
trend alleen maar versterken. Leveranciers zullen single-chip-oplossingen bieden
met ingebouwde LoRaWAN-functionaliteit. De technologie zal goedkoper en breder
beschikbaar worden. Er zullen ketenoplossingen ontstaan, met sensornodes,
actuatoren, gateways, applicaties voor visualisatie en beheer van de data en
eindgebruikerstoepassingen. Wij concentreren ons op het aanbieden van systemen
die aansluiten op de businesslogica van de opdrachtgever, inclusief devicemanagement, benodigde elektronica en software. Hiermee bouwen we voort op
onze kennis van de achterliggende radiotechnologie en de hardware-softwareketen.
Meer weten?
Wat is het Internet of Things? https://youtu.be/QSIPNhOiMoE
Wat is LoRaWAN? https://youtu.be/2Y0bMX3TVi0
Aan dit artikel werkten mee:
Olaf Peters
Rutger Huijgen
07