LoRa Edge: 90 Prozent geringerer Stromverbrauch im IoT

Redakteur: Michael Eckstein

Die neue LoRa-Edge-Plattform wertet Satelliten- und WLAN-Signale aus, um IoT-Knoten genauer lokalisieren zu können. Die Einchip-Lösung hat laut Semtech alle dafür nötigen Komponenten integriert. In Kombination mit der LoRa-Cloud sollen IoT-Lokalisierungs- und Monitoring-Lösungen mit einem Zehntel der Energie auskommen, die bisherige Architekturen benötigen.

Firmen zum Thema

Geschickt deligieren: Lora Edge verlagert aufwendige Berechnungen in die Lora Cloud und spart so einiges an Energie.
Geschickt deligieren: Lora Edge verlagert aufwendige Berechnungen in die Lora Cloud und spart so einiges an Energie.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Semtech gilt als einer der Pioniere im Internet der Dinge. Es hat die „LoRa“-Funktechnik entwickelt und vertreibt Analog- und Mixed-Signal-Halbleiterchips, mit denen sich „Low Power Wide Area Networks“, kurz LPWAN, aufbauen lassen. Nun hat das Unternehmen die Plattform „LoRa Edge“ vorgestellt. Diese soll Entwicklern von energieeffizienten IoT-Lösungen möglichst viel Arbeit abnehmen. Nach eigenen Angaben soll die Plattform mit ihren Geolokalisierungsfähigkeiten „das Asset Management grundlegend verändern, indem es den Energiebedarf an den Endknoten radikal reduziert“, sagt Phil Daggett, Senior Director of Marketing für Semtechs Wireless, Sensing & Power Products im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS (mehr zum Hintergrund weiter unten im Artikel). Zielmärkte dafür sieht er in den Branchen Industrie, Gebäude, Wohnen, Landwirtschaft, Transport und Logistik.

Erstes Produkt der neuen LoRa-Edge-Plattform ist der Geolokalisierungs-IC LR1110, der neben einem LoRa-Transceiver sowohl einen Wi-Fi- als auch einen GNSS-Scanner an Bord hat. Damit ist der Chip in der Lage, sowohl Satellitensignale des „Global Navigation Satellite System“ als auch lokale Drahtlosnetzwerke auszuwerten. Zusätzliche GNSS- und WLAN-Komponenten sind beim Entwickeln eines IoT-Knotens nicht erforderlich: „Dies reduziert die Komplexität des Designs, verkleinert die Stückliste und vereinfacht somit die Beschaffung“, sagt Daggett.

Bildergalerie

„Entwickler herkömmlicher Tracking-Lösungen müssen derzeit Komponenten verschiedener Anbieter verwenden – etwa GPS- und Wi-Fi-Chips, eine Standortdatenbank und LPWAN-Infrastrukturen“, sagt Daggett. Eine große Herausforderung für Entwickler sei es sicherzustellen, dass alle diese Komponenten nahtlos integriert werden und danach auch gut zusammenarbeiten. Hier setze man mit LoRa Edge und LoRa Cloud an.

LoRa Edge unterstützt die wichtigsten GNSS-Typen

Zunächst listet der Manager die wesentlichen Leistungsmerkmale des LR1110-LoRa-Edge-Chips auf: Er hat demnach ein flexibles Funk-Front-End mit einem kontinuierlichen Frequenzsynthesizer-Bereich von 50 bis 2700 MHz. Er kann GNSS-Signale (GPS L1, GPS geostationär, SBAS EGNOS, SBAS WAAS, BeiDou B1, BeiDou geostationär, GEO/IGSO) aktiv und WLAN-Signale passiv scannen. Der integrierte LoRa/(G)FSK-HF-Transceiver ist vollständig kompatibel zum „LoRaWAN“-Standard und kann weltweit in Frequenzbändern zwischen 150 bis 960 MHz arbeiten. Er hat zwei Leistungsverstärkerpfade mit +22 dBm beziehungsweise +15 dBm.

Im Chip integriert ist zudem eine Verschlüsselungs-Engine mit Hardware-Unterstützung für AES-128-basierte Ver-/Entschlüsselungsalgorithmen. Laut Semtech kann sie Geräteparameter wie DevEUI und JoinEUI verwalten und hat Mechanismen zum Schutz vertraulicher Informationen wie dem Encryption Key, Netzwerkschlüssel (NwkKey) und Applikationsschlüssel (AppKey) an Bord.

Balance zwischen guter Genauigkeit und geringem Stromverbrauch

So gerüstet, sollen die LoRa-Edge-Chips die Position von Gütern bis auf wenige Meter genau ermitteln können. Eine noch höhere Genauigkeit würde schaltungstechnisch einigen Mehraufwand bedeuten, der zulasten der Energieeffizienz gehen würde: „Der Fokus von LoRa Edge liegt nach wie vor auf langen Batterielaufzeiten“, betont Daggett.

In Kombination mit Semtechs „LoRa Cloud Geolocation“-Schnittstelle, „LoRaWAN“-Gateways und Diensten zur Geräteverwaltung sollen sich schnell und kostengünstig Lösungen zum Orten und Überwachen von Gütern mit verbundenen IoT-Sensoren realisieren lassen. „LoRa Cloud Geolocation“ ist eine einfache Cloud-API, die sich in einen „LoRaWAN“-Netzwerk- oder Anwendungsserver integrieren lässt. Wenn Gateways von LoRa-basierten Endgeräten übertragene Datenpakete empfangen, erzeugen sie Metadaten wie Empfangssignalstärke, Signal-Rausch-Verhältnis und Ankunftszeit.

Die Gateways können diese Metadaten zu einer Abfrage kombinieren und über eine HTTP-Post-Anfrage übertragen. Daraus kann der Dienst einen Standort berechnen. Da der Dienst keine spezielle Hardware (etwa einen GPS-Chipsatz) oder Software auf dem Endgerät voraussetzt, ist eine Geolokalisierung ohne zusätzlichen Stromverbrauch im IoT-Knoten möglich. Nach Ansicht von Daggett bietet LoRa Edge die richtige Balance zwischen ausreichender Genauigkeit, niedrigem Stromverbrauch und geringen Systemkosten: „Gemeinsam bilden die LoRa-Edge- und LoRa-Cloud-Geolokalisierungs-Dienste eine Architektur, mit der sich der Stromverbrauch der Endknoten senken lässt.“ Im Vergleich mit derzeit verfügbaren Architekturen sei die Energieeffizienz um Faktor 10 besser.

Hintergrund der LoRa-Technik

Kern der „LoRa“-Technik (Long Range) ist ein zweilagiger Protokollstapel. Die erste Schicht des Stacks ist die physikalische Schicht (PHY), die eine proprietäre, vom „Chirp Spread Spectrum“-Verfahren (CSS) abgeleitete Modulation verwendet. Die zweite Schicht des Protokolls ist die MAC-Schicht (Media Access Control) mit der Bezeichnung „LoRaWAN“.

Ein LoRa-Netzwerk umfasst Gateways, die mit einem zentralen Netzwerkserver verbunden sind. Die Endpunkte kommunizieren innerhalb einer Sternnetztopologie über eine drahtlose Single-Hop-Verbindung zu den Gateways. Dabei können sie sich mit mehreren Gateways gleichzeitig verbinden. Diese Redundanz soll die Zuverlässigkeit der Verbindungen verbessern (siehe Bilderstrecke).

LoRa-basierte Endknoten sind darauf ausgelegt, mit wenig Energie kleine Datenpakete auch über lange Distanzen drahtlos zu versenden. Sie sollen mit einer Batterieladung bis zu zehn Jahre funktionieren. Als Sub-GHz-Technologie unterstützt LoRa Datenraten von etwa 0,3 bis 50 kBit/s, je nach Entfernung und Nachrichtendauer. Die Übertragungsdistanz kann nach Angaben von Semtech bis zu 20 Kilometer betragen. Selbst in einer städtischen Umgebung mit hoher Dichte soll eine Kommunikation über mehr als 2 Kilometern möglich sein.

Häufiger Batteriewechsel treibt Kosten bei GPS-Lösungen in die Höhe

Die Lebensdauer von Batterien limitiert die Einsatzdauer vieler IoT-Knoten. Bei typischen GPS-Trackern ist ein Batteriewechsel alle 3 bis 6 Monate erforderlich – das ist teuer und bindet viele Ressourcen. Die Positionsberechnung aus empfangenen Satellitensignalen benötigt bei GPS eine beträchtliche Rechenleistung, was den Stromverbrauch in die Höhe treibt. WLAN-Geräte hingegen müssen beim Verbinden mit einem Netzwerk MAC-Adressen identifizieren, was ebenfalls rechenaufwendig ist.

Bei seinem Device-to-Cloud-System von LoRa Edge hat Semtech die Location-Computing-Engine nach Angaben in die Cloud verlagert. „Ein IoT-Gerät ist nach wie vor für das Erfassen von Satellitensignalen und das Ermitteln der MAC-Adresse von Zugangspunkten zuständig“, erklärt Pedro Pachuca Director Wireless Products von Semtech. Doch anstatt den Standort auf dem Gerät zu ermitteln, würden die Informationen in einen LoRa-Datenrahmen gesetzt und an einen Cloud-Server gesendet und hier berechnet.

90 Prozent geringerer Stromverbrauch am Endgerät

„Unsere proprietäre Device-to-Cloud-Architektur reduziert den Stromverbrauch beim Gütertracking auf bis zu einem Zehntel des Verbrauchs herkömmlicher Lösungen“, sagt Pachuca. Das spare Geld und ermögliche einen schnellen Ausbau von Standortservices bei zukünftigen IoT-Bereitstellungen.

Im LoRa-Edge-Okösystem können Anwender zwischen abonnement- oder verbrauchsbasierte Modelle von der „LoRa Cloud“-Geolokalisierungsdiensten wählen. Der Geolokalisierungsdienst kann laut Pachuca so programmiert werden, dass die Standort- und Statusdaten der Anlagen während der Installation oder einmal am Tag, einmal im Monat, einmal im Jahr usw. abgerufen werden. „Dieses verbrauchsbasierte Modell ermöglicht es Anwendern, Geolokalisierungsdienste nur bei Bedarf in Anspruch zu nehmen.“ Das Abo-basierte Modell böte sich hingegen für Nutzer an, die die Position ihrer Güter regelmäßig – viele Male pro Tag – bestimmen müssen.

Weiterführende Lesetipps

(ID:46485672)