De kracht van LoRaWAN voor asset monitoring

LoRaWAN voor asset monitoring

Een groot deel van het Industrial Internet of Things (IIoT) 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.

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 lastig bereikbare of cruciale sensor 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, zijn er gelukkig betere 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. 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. 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. De andere LoRaWAN-provider in Nederland is KPN, die de dienst aanbiedt op abonnementsbasis. Nederland loopt internationaal voorop met de dekkingsgraad van LoRaWAN. Het gebruik van de term ‘Wide Area’ is in het geval van LoRaWAN zeker niet overdreven. Een gateway is bereikbaar voor nodes op vele kilometers afstand.

LoRa-radiofrequentie
LoRaWAN werkt met LoRa (Long Range) frequentiemodulatie-technologie. LoRa is gebaseerd op spread-spectrum-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 LoRa-signalen een groot bereik hebben. Ze dringen ver door in gebouwen en hebben vrijwel geen last van reflecties.

Sensordata 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 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 asset monitoring

De lage data-rates van LoRaWAN lijken beperkend voor ontwikkelaars. Toch zijn het juist deze beperkingen die LoRaWAN geschikt maken voor het Asset Monitoring. 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.

De lage data-rate is voor de meeste sensoren van een asset monitoring systeem 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.

Prioritering van security

Bij veel asset monitoring systemen 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 RF-signaal kan ontvangen. Security tussen nodes en gateway wordt al belangrijker wanneer LoRaWAN wordt gebruikt om actuatoren van een Asset Control systeem aan te sturen. Daarmee worden immers processen en apparaten aangestuurd.

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. Er is ook een 128-bits AES-beveiligingssleutel op applicatieniveau. Die voorkomt dat het netwerk of de netwerkoperator de applicatiedata kan inzien.

LoRaWAN in de praktijk

Diverse sensornetwerken van het Technolution Asset Performance Management Systeem zijn gebaseerd op LoRaWAN-technologie. Het is door Technolution ontwikkeld voor toepassingen in onder meer de industrie en bijvoorbeeld 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 met I2C-, SPI-, RS485- en GPIO-interfaces. Dat maakt het mogelijk om bestaande of in de markt verkrijgbare sensoren en actuatoren van derden aan te koppelen.

Ook sensornodes op maat zijn mogelijk. De sensornodes van Technolution worden in veel gevallen voorzien van zonnecellen. Die leveren in een normaal verlichte omgeving meer dan genoeg energie voor de communicatie tussen nodes en gateways en het opladen van de batterij. Overtollige energie kan worden 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..

De toekomst van LoRaWAN

LoRaWAN is nog volop in ontwikkeling. De groei van IIoT zal deze trend versterken. Leveranciers zullen single-chip-oplossingen bieden met ingebouwde LoRaWAN-functionaliteit. De technologie zal goedkoper en breder beschikbaar worden. Wij concentreren ons op het aanbieden van systemen die aansluiten op uw situatie, inclusief devicemanagement, benodigde elektronica en software. Hiermee bouwen we voort op onze jarenlange ervaring met radiotechnologie en hard- en software.

Wat is LoRaWAN?

 

nl-button-asset-performance-management

 

Contact:

Gerelateerde items

Technolution Asset Performance Management System

Lees verder

Bouwblok

De wereld als sensor - Koppelaar van ‘big data’

Lees verder

Publicatie

Tata Steel: van pratende potten naar draadloze asset control

Lees verder

Publicatie

Asset monitoring: 'Technolution levert ons nachtrust'

Lees verder

Publicatie