LoRaWAN als enabler voor het Internet of Things

Abonneer je gratis op Techzine!

Digitalisering van alle bedrijfs- en productieprocessen vereist het onderling verbinden van alle onderdelen van een bedrijf binnen een internet of things (IoT). Dit geldt ook voor de externe of mobiele componenten binnen een productievestiging. Met de onafhankelijke IoT-netwerktechnologie LoRaWAN is integratie daarvan mogelijk in de algehele fabrieksautomatisering zonder hoge investeringen in infrastructuur of stijgende bedrijfskosten.

Op de Hannover Messe 2011 werd de vierde industriële revolutie – Industrie 4.0 – voor het eerst  benoemd. Productievestigingen die werken volgens de principes van Industrie 4.0 bieden de mogelijkheid om alle bedrijfs- en productieprocessen te digitaliseren. Naast aanzienlijke voordelen op het gebied van efficiëntie, processtabiliteit en traceerbaarheid geeft dit deze bedrijven de mogelijkheid om volledig nieuwe bedrijfsmodellen te ontwikkelen.

IoT-informatiehub

Een voorwaarde voor Industrie 4.0 is dat alle machines en systemen goed met elkaar zijn verbonden en dat extra sensoren en actuatoren voor de communicatie tussen de machines zorgen. Voor zover mogelijk moeten alle locaties, remote installatiecomponenten en mobiele units worden geregistreerd voor netwerkfunctionaliteit. Hoewel de informatie niet noodzakelijk het bedrijf verlaat, worden de gekozen basismethoden toch het IoT genoemd.

Het IoT creëert de mogelijkheid om productie- en infrastructuurfaciliteiten volledig te koppelen, zowel horizontaal als verticaal, zonder al te veel aandacht te besteden aan connectiviteit. Het vormt daarmee de voorwaarde voor het onderling verbinden van complete bedrijfsprocessen en het biedt de mogelijkheid van toegang via mobiele devices, bijvoorbeeld door – eventueel ook extern – onderhoudspersoneel.

Datatransportmedia

Ook bij het kiezen van het juiste transportmiddel voor de data is er een enorme variëteit: IoT-netwerken voor zowel productie als aan- of afvoer kunnen volgens de principes van Industrie 4.0 alleen met een doordachte combinatie van verschillende technologieën naar tevredenheid worden gerealiseerd

In fabriekshallen en kantoorgebouwen zorgen local area networks (LAN’s) (met en zonder real-time mogelijkheden) voor het datatransport. De afstanden tussen grotere locaties worden vaak overbrugd met speciale lijnen van gespecialiseerde providers, tegenwoordig vaak ook via internetcommunicatiediensten.

Aansluiting van externe fabriekscomponenten

Om remote of mobiele systemen te kunnen integreren, zoals windturbines, rioolwaterzuiveringsinstallaties en landbouw- of bouwmachines, vertrouwen veel bedrijven op de aankomende 5G-standaard voor mobiele communicatie. De geschiktheid ervan voor datatransport in het IoT staat buiten kijf. Het is echter te verwachten dat het gegevenstransport via deze weg kosten met zich meebrengt die mogelijk fors drukken op de exploitatie van de fabriek.

Het speciaal voor het IoT ontwikkelde Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) is een geschikt transmissienetwerk voor communicatie met systeemcomponenten, remote, mobiel of met individuele sensoren, vooral in toepassingen met beheersbare datavolumes. Het maakt gebruik van licentievrije radiofrequenties en maakt een bereik tot 40 kilometer mogelijk. Tegelijkertijd heeft het een hoge gebouwpenetratie, zodat zelfs eindapparaten in kelders te bereiken zijn.

LoRaWAN-sensoren bewijzen hun waarde in toepassingen variërend van bodemvochtmeting in de landbouw en niveaumeting in gesloten vaten tot bewaking van de bezettingsgraad van parkeerplaatsen in parkeergarages. Ze zijn leverbaar in een binnen- en buitenversie en kunnen eenvoudig worden geïnstalleerd en in het netwerk worden geïntegreerd

IoT-apparaten zonder stroomvoorziening

Vergeleken met commercieel aangeboden mobiele netwerken biedt LoRaWAN fabrikanten, operators en beheerders van verspreide systemen naast de eliminatie van aansluitkosten nog tal van andere voordelen. Verschillende IoT-compatibele apparaten kunnen onder andere veilig met elkaar communiceren zonder dat er complexe en rigide installaties nodig zijn. Dit geldt ook voor de stroomvoorziening, die vaak helemaal niet of alleen met enorme inspanning tot stand kan worden gebracht op meetpunten op afstand of in mobiele machines.

Als Low Power Wide Area Network (LPWAN) is LoRaWAN geoptimaliseerd voor het aansluiten van eindapparaten met dun gedimensioneerde voedingen of in off-grid-bedrijf: de communicatiemechanismen dragen ertoe bij dat de eindapparaten een extreem laag stroomverbruik vereisen vanwege een bijzonder lage verwerkingskracht. Het feit dat de eindapparaten bi-directioneel zijn, maakt het mogelijk om de ontvangstgeschiktheid voor downlinkcommunicatie in de tijd te beperken.

LoRaWAN-sensoren werken vaak meerdere jaren op slechts één batterijlading geven ze regelmatig hun status door, zodat de batterij tijdig kan worden vervangen.

Beveiligde communicatie

LoRaWAN-netwerken zijn meestal opgezet op basis van een stertopologie. In dit geval communiceren de LoRaWAN-eindapparaten via een single-hop-verbinding met gateways die via een standaard IP-verbinding met de netwerkserver zijn verbonden. Op deze manier kunnen systeemonderdelen op afstand ook met weinig moeite in bestaande totaaloplossingen worden geïntegreerd.

Communicatie binnen het LoRaWAN-netwerk vindt plaats met datasnelheden van 0,3 tot 50 kbps. Deze kunnen gemengd worden gebruikt binnen een LoRaWAN-netwerk en worden beheerd door de LoRaWAN-netwerkserver via het Adaptive Data Rate Algorithm (ADR).

LoRaWAN-eindapparaten en gateways gebruiken een gepatenteerde transmissiemethode met een zeer hoge inherente gegevensbeveiliging. Dit wordt onder meer bereikt door een multi-level encryptieconcept. Op netwerkniveau wordt hiervoor gezorgd door een unieke netwerksleutel conform EUI64 en op applicatieniveau door een unieke applicatie. Een apparaatspecifieke sleutel in overeenstemming met EUI128 voorkomt gegevensoverdracht uit ongeautoriseerde bronnen. Dit zorgt ervoor dat er geen kruiscommunicatie of echo’s kunnen optreden. Dit zou anders een negatief effect kunnen hebben op het systeem.

Gevestigd als IoT-standaard

LoRaWAN is zeker niet het enige op radio gebaseerde LPWAN-systeem op de markt; er zijn talloze anderen. Vergeleken met andere vergelijkbare systemen biedt LoRaWAN het meest uitgebalanceerde en complete totaalpakket. Het maakt een zeer ruime keuze aan netwerkarchitecturen, apparaatklassen, beveiliging en schaalbaarheid mogelijk voor het bouwen van IoT-toepassingen.

In tegenstelling tot veel andere LPWAN-technologieën, is LoRaWAN geen merkgebonden protocol, maar een open systeem. Het wordt beheerd door de LoRa Alliance, een non-profitorganisatie die in 2015 is opgericht met als doel de interoperabiliteit en standaardisatie van low-power wide-area netwerktechnologieën te bevorderen. Tot de initiatiefnemers behoren IBM, MicroChip, Cisco, Semtech en Swisscom. Samen met de momenteel meer dan 500 aangesloten bedrijven zorgt dit voor een breed ecosysteem en een goede beschikbaarheid van compatibele hardware en ontwikkelsystemen.

Nederland loopt voorop in de implementatie van LoRaWAN. Dat is mede te danken aan the Things Network, een uitgebreid LoRaWAN netwerk in Amsterdam. Dit is mid 2015 opgericht en inmiddels al ver uitgebreid naar anders steden. Het IoT is zo voor iedereen tastbaar. LoRaWAN is ook bijzonder geschikt om bestaande productieomgevingen toekomstbestendig te maken door volledige integratie, inclusief remote en zelfs mobiele fabriekscomponenten.

Dit is een ingezonden bijdrage van Rike Ermeling, productmanager Smart Home bij reichelt elektronik GmbH & Co. KG. Via deze link vind je meer informatie over de mogelijkheden van het bedrijf.