Basiswissen: Gebäudeautomation mit LoRaWAN®
Einfache und effiziente Automatisierung von (analogen) Neu- und Bestandsgebäuden
Ursprünglich für das Internet of Things (IoT) entwickelt, wird die Funktechnologie LoRaWAN® – kurz für Long Range Wide Area Network – zunehmend auch von Städten, Kommunen, Liegenschaftsverwaltern und Energieversorgern vorangetrieben. Auch in Smart Cities spielt sie eine wichtige Rolle. Als Alternative zu anderen Funksystemen wie z.B. Zigbee oder Bluetooth® bietet sich LoRaWAN® vor allem dort als leistungsstarke Lösung an, wo große Reichweiten und hohe Wirtschaftlichkeit wesentlich sind.
Die Anwendungsbereiche von LoRaWAN® in Gebäudeautomation und Monitoring sind vielseitig. Insbesondere für weniger zeitkritische Anwendungen wie Temperatur- oder Feuchtigkeitsmessungen ist LoRaWAN® jedoch eine ausgesprochen leistungsstarke Lösung. Aus Betreibersicht überzeugend sind die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards durch eine doppelt verschlüsselte Datenübertragung sowie die Möglichkeit zur europaweiten Nutzung ohne Anfallen von Lizenzkosten.
Dass LoRaWAN® weltweit starken Zuspruch findet, liegt in den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und Chancen dieser in der Gebäudeautomation noch recht jungen Technologie begründet. So bietet LoRaWAN® nicht nur enorme Einsparpotenziale durch seine geringen Kosten für den Netzwerkaufbau, sondern leistet darüber hinaus einen maßgeblichen Beitrag zur kosteneffizienten Nutzung von Gebäuden. Da rund 80 Prozent der gesamten Gebäudekosten auf die Betriebsphase entfallen, ist dies insbesondere bei älteren Bestandsbauten ein wesentlicher Faktor. Gerade hier können LoRaWAN®-Netzwerke spürbar zur Kostensenkung beitragen.
Neben der klassischen Integration von Sensoren in die Regelung von bspw. Lüftungsanlagen und in die Gebäudeautomatisierung bietet die LoRaWAN®-Schnittstelle die Möglichkeit, Livedaten unabhängig von der Gebäudeautomatisierung in eine Cloud zu senden, bspw. als Datengrundlage für vorbeugende Wartung.
Ziel ist es, das Facility Management zu entlasten, Gebäudedaten ohne Zutun der Gebäudeautomatisierung auf einfachem Wege zu erfassen und transparent aufzubereiten sowie Gebäude- und Anlagenbetreibern neue Funktionen und Dienstleistungen anbieten zu können.
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Netzwerkaufbau
Ein LoRaWAN®-Netzwerk basiert auf einer mehrstufigen Architektur, bei der Sensoren, Aktoren, Gateways, Netzwerk- und Applikationsserver sowie gegebenenfalls Konverter zusammenwirken, um Sensordaten effizient zu erfassen, zu übertragen, zu verarbeiten und in bestehende Systeme wie IoT-Plattformen oder die Gebäudeleittechnik (GLT) zu integrieren.
Schritt 1 – Sensoren und Aktoren (Endgeräte):
Sind z. B. LoRaWAN® Sensoren, die Messwerte erfassen und AES128 verschlüsselt an ein Gateway senden.
Schritt 2 – Gateways:
Empfangen die Daten der verschiedenen Endgeräte und geben diese (noch immer verschlüsselt) an den Netzwerkserver (Standard-IP-Verbindung) weiter. Jedes Gateway gibt alle empfangenen Daten an den Netzwerkserver weiter. So können einige hundert bis ca. 1.000 Funksensoren über ein Gateway angebunden werden. Um flächenmässig grössere Bereiche abdecken zu können werden mehrere Gateways mit dem gleichen Netzwerkserver verbunden.
Cloud-Konnektivität
Integration in IoT-Plattformen über Netzwerk- und Applikationsserver.
Schritt 3 – Netzwerk-/Applikationsserver:
Der zentrale LoRaWAN®-Netzwerkserver sammelt die von den Gateways empfangenen Daten und leitet sie zur weiteren Verarbeitung weiter. Doppelte Datenpakete werden herausgefiltert. Anschliessend entschlüsselt der Netzwerkserver die Daten und übermittelt sie an den jeweiligen Applikationsserver.
Der Applikationsserver verarbeitet und dekodiert die Daten anwendungsspezifisch, um deren Integration in externe Systeme wie cloudbasierte IoT-Plattformen, Datenbanken oder Benutzeroberflächen zu ermöglichen. Dabei werden die Rohdaten der Sensoren in verwertbare Informationen übersetzt, gemäss definierter Geschäftsregeln aufbereitet und zur weiteren Nutzung bereitgestellt.
Schritt 4 – Applikation:
Auf Applikationsebene werden die verarbeiteten Daten genutzt, um Entscheidungen zu treffen, Abläufe zu optimieren und die Nutzererfahrung zu verbessern. Anwendungen visualisieren die Daten in Dashboards, ermöglichen vorausschauende Analysen oder lassen sich in Drittanbieter-IoT-Plattformen integrieren. Solche Plattformen bieten wertvolle Einblicke, automatisieren Workflows oder lösen Benachrichtigungen aus.
Schaubild LoRaWAN® Cloud-Anbindung
Integration in die Gebäudeleittechnik (GLT)
Protokollumwandlung und Integration in die (bestehende) GLT.
Schritt 3 – Konverter:
Der Konverter vereint Netzwerk- und Applikationsserver in einem Gerät und übernimmt zusätzlich die Protokollumwandlung. Er wandelt LoRaWAN®-Daten direkt in Protokolle wie Modbus TCP/IP und BACnet/IP um, was eine nahtlose Integration in die Gebäudeleittechnik (GLT) ermöglicht.
Externe LoRaWAN®-Gateways fungieren als Funkempfänger und können zur effizienten Datenübertragung an den Konverter angeschlossen werden.
Schritt 4 – Integration in GLT
Auf dieser Ebene werden die konvertierten Daten zur Überwachung, Automatisierung und Optimierung von Gebäudefunktionen genutzt. Das System ermöglicht die Visualisierung, prädiktive Wartung und automatisierte Steuerung von HLK, Beleuchtung und weiterer Infrastruktur.
Durch die direkte Integration in die GLT über gängige Protokolle der Gebäudeautomation wie Modbus TCP/IP und BACnet/IP verbessert die Lösung die Effizienz, die Nachhaltigkeit sowie die betrieblichen Einblicke und gewährleistet zugleich eine nahtlose Interoperabilität in modernen (smarten) IoT-Umgebungen.
Schaubild LoRaWAN® GLT-Anbindung
Dabei bezeichnet LoRa® die für die Datenübertragung eingesetzte Funktechnologie, d. h. die grundsätzliche Funktionsweise der Kommunikation. Für reibungslose Abläufe sorgt ein spezielles Modulationsverfahren zur Informationsübermittlung, das vor Störungen – so z. B. Überlagerungen durch zeitgleich sendende Sensoren – schützt.
LoRaWAN® hingegen beschreibt den eigentlichen Netzwerkaufbau sowie das Protokoll, das zur Gewährleistung einer einheitlichen Kommunikation der Netzwerkteilnehmer eingesetzt wird. Auf diese Weise stellt LoRaWAN® den herstellerübergreifenden Einsatz von Lösungen innerhalb eines Netzwerks bzw. über verschiedene Netzwerke hinweg sicher und erlaubt zudem die problemlose Einbindung neuer Lösungen in bereits vorhandene Netzwerke.
LoRaWAN®-Sensorik von Thermokon
Attraktiv durch hohe Kosteneffizienz
Als einer der ersten Anbieter hat Thermokon sein auf energieeffiziente Gebäude ausgelegtes Portfolio um diverse LoRaWAN®-Lösungen erweitert. Auf Basis der bewährten Sensortechnik von Thermokon entwickelt, sind die LoRaWAN®-Sensoren und -Gateways maßgeschneidert für die Anforderungen der Gebäudeautomation und decken unterschiedlichste Funktionalitäten ab – von der Messung von Temperatur und Luftfeuchte über die Erfassung der Raumluftqualität bis zur Kondensationsüberwachung.
Dabei können Gebäudebetreiber flexibel zwischen batterieversorgten und kabelgebundenen Sensoren mit analogen Signalausgängen und LoRaWAN®-Option wählen. Zusätzliche Vorteile sind die 5-Jahres-Garantie auf sämtliche Produkte sowie eine hohe Flexibilität durch die fortlaufende Erweiterung des Portfolios.
