LoRa und LoRaWAN: Architektur

LoRa und LoRaWAN: Architektur

Die LoRaWAN-Netzarchitektur besteht aus vielen Endgeräten in Form von Sensoren und Aktoren, mehreren Gateways und einem zentralen Network Server und einem Application Server. Die Endgeräte kommunizieren mit den Gateways. Und die Gateways sind über Internet-Zugänge mit dem Network Server verbunden. Der Network Server kommuniziert über verschiedene Protokolle (z.B. REST, MQTT, usw.) mit einer Anwendung, die zum Beispiel als Applikation in der Cloud betrieben wird.

LoRa-Node (Device / Endgerät)

Ein LoRa-Node im LoRaWAN hat die Aufgabe, Daten von Sensoren oder anderen Geräten zu erfassen, zu verarbeiten und drahtlos an ein LoRa-Gateway zu senden, das die Daten dann an ein LoRa-Netzwerk weiterleitet. Das LoRa-Node ist also eine Art drahtloser Sender, der Daten über ein LoRa-Funksignal an ein Gateway sendet.

Typischerweise sind LoRa-Nodes batteriebetrieben und werden für den Einsatz in Sensor-Netzwerken entwickelt. Sie sind darauf ausgelegt, energiesparend zu sein, um eine lange Batterielaufzeit zu ermöglichen. Dazu nutzen sie in der Regel spezielle Energiesparmodi und können die Übertragungsrate und Sendeleistung optimieren, um Energie zu sparen.

LoRa-Nodes werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel in der Überwachung von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität mit Sensoren oder zur Steuerung von Geräten und Aktoren.

LoRa-Gateway

Das LoRa-Gateway im LoRaWAN hat die Aufgabe, Daten von LoRa-Nodes drahtlos zu empfangen und an den Network Server weiterzuleiten. Es dient als Brücke zwischen den LoRa-Nodes und dem Netzwerk-Server und ermöglicht die Konnektivität von Endgeräten im Feld mit dem Backend-System.

Ein LoRa-Gateway kann mehrere LoRa-Nodes in seiner Reichweite erfassen und empfangene Datenpakete mit TCP/IP an den Netzwerk-Server weiterleiten. Dabei können mehrere Gateways im selben Netzwerk koexistieren, um eine größere Abdeckung zu ermöglichen. Die Gateways eines LoRaWAN bilden im Optimalfall ein engmaschiges Netz und können über die ganze Welt verteilt sein.

Da LoRa-Gateways in der Regel an festen Standorten installiert werden, können sie mit einer stabilen Stromversorgung und einer zuverlässigen Netzwerkverbindung ausgestattet werden. Im Gegensatz dazu sind LoRa-Nodes häufig batteriebetrieben und haben begrenzte Energie- und Netzwerkressourcen.

Network Server

Der Network Server ist eine zentrale Komponente, die die Netzwerkverwaltung, die Datenverarbeitung und die Sicherheit gewährleistet.

Der Network Server ermöglicht das Management von LoRa-Netzwerken, der Konfiguration von Netzwerkparametern wie Bandbreite, Kanälen und Sendeleistung. Er unterstützt auch das Überwachen und Diagnostizieren von Netzwerkproblemen, z. B. Verbindungsstörungen oder Netzwerküberlastungen.

Der Network Server empfängt und verarbeitet die von den Gateways empfangenen Pakete. Eine Nachricht kann von einem oder mehreren Gateways empfangen werden. Der Network Server kümmert sich dann darum, dass eine Nachricht nur einmal an einen Application Server weitergeleitet wird.

Der Network Server ist auch dafür zuständig, die Authentifizierung und Autorisierung der LoRa-Nodes zu verwalten und sicherzustellen, dass nur von autorisierte Endgeräte Daten angenommen werden. Er verwaltet die Session Keys, die zur Verschlüsselung und Entschlüsselung der Daten verwendet werden.

Application Server

Der Application Server im LoRaWAN ist verantwortlich für die Verarbeitung und Interpretation von Daten, die von den LoRa-Nodes gesendet werden. Er empfängt die Daten vom Network Server und verarbeitet sie gemäß einer festgelegten Aufgabe. Der Application Server ist damit die Schnittstelle zwischen dem LoRaWAN-Netzwerk und der Anwendungssoftware. Er kann verschiedene Funktionen ausführen.

  • Datenverarbeitung: Daten analysieren, filtern, konvertieren und aggregieren.
  • Anwendungslogik: Daten verknüpfen, Entscheidungen treffen und Aktionen auszulösen. Zum Beispiel Anzeige von Informationen, Alarme melden oder Geräte schalten.
  • Speicherung: Daten in einer Datei, in einem Dateisystem oder in einer Datenbank speichern.
  • Integration: Daten an andere Systeme wie ERP, CRM oder SCM übermitteln.

Der Application Server kann entweder als Cloud-Service oder als lokale Installation betrieben werden. Cloud-Service-Provider bieten häufig eine Vielzahl von Tools und Diensten an, um die Verarbeitung und Analyse von Daten zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Übersicht: LoRa und LoRaWAN

Weitere verwandte Themen:

IoT mit dem Raspberry Pi Pico mit LoRa, LoRaWAN und The Things Network (TTN)

Elektronik-Set LoRa Edition
Elektronik-Set LoRa Edition

Leichter Einstieg in LoRa mit The Things Network (TTN)

Mit dem Elektronik-Set LoRa Edition kannst Du Dein eigenes IoT-Endgerät bauen und mit Deinem eigenen LoRaWAN oder dem LoRaWAN von The Things Network (TTN) verbinden. Als Basis dient das LoRa-Modul RAK3272S Breakout Board von RAK Wireless. Wahlweise kannst Du das LoRa-Modul mit einen Mikrocontroller oder einem PC steuern.

Elektronik-Set jetzt bestellen

Frag Elektronik-Kompendium.de

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!

Netzwerktechnik-Fibel

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!