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Sensoren im Garten, ein Wasserzähler im Keller oder eine Wetterstation auf einem abgelegenen Grundstück haben oft dasselbe Problem: WLAN reicht nicht weit genug. Mobilfunk wäre möglich, ist für einen einfachen Temperatur- oder Feuchtigkeitssensor aber oft unnötig aufwendig. Genau für solche Anwendungen wurden Funktechniken wie LoRa und LoRaWAN entwickelt.
LoRa ermöglicht Funkverbindungen über erstaunlich große Entfernungen und benötigt dabei nur sehr wenig Energie. Das macht die Technik vor allem für Sensoren interessant, die über Monate oder sogar Jahre mit einer Batterie betrieben werden sollen.
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Was ist LoRa?
LoRa steht für „Long Range“ und bezeichnet zunächst die eigentliche Funktechnik. Sie legt also fest, wie Informationen per Funk übertragen werden.
Entwickelt wurde LoRa speziell für Anwendungen, bei denen nur kleine Datenmengen übertragen werden müssen. Ein Temperatursensor muss beispielsweise nicht mehrere Megabyte pro Sekunde verschicken. Alle paar Minuten eine Temperatur wie „21,4 °C“ zu übertragen, reicht vollkommen aus.
Durch diese Beschränkung kann LoRa sehr weit funken und gleichzeitig ausgesprochen sparsam arbeiten. Die Technik gehört deshalb zur Gruppe der sogenannten Low Power Wide Area Networks, kurz LPWAN.
Was ist LoRaWAN?
LoRa und LoRaWAN werden häufig gleichgesetzt. Technisch handelt es sich aber um zwei unterschiedliche Dinge.
- LoRa beschreibt die Funkübertragung.
- LoRaWAN beschreibt das darüberliegende Netzwerk und die Kommunikation zwischen Geräten, Gateways und Servern.
Man kann sich LoRa also als Funkverbindung vorstellen. LoRaWAN legt zusätzlich fest, wie die einzelnen Teilnehmer eines größeren Netzwerks miteinander arbeiten.
Wie funktioniert ein LoRaWAN-Netzwerk?
Ein klassisches LoRaWAN-Netz besteht aus mehreren Komponenten. Für ein einfaches Verständnis reichen zunächst Sensor, Gateway und Server.
1. LoRa-Sensor
Am Anfang steht beispielsweise ein Temperatur-, Bodenfeuchte-, Wasserstands- oder Stromsensor. Dieser sammelt Messwerte und sendet sie über LoRa aus.
Für eigene Projekte sind Mikrocontroller mit bereits integriertem LoRa-Modul besonders praktisch. Häufig verwendet werden beispielsweise ESP32-Boards mit SX1276-, SX1278- oder SX1262-Funkchip.
2. LoRaWAN-Gateway
Das Gateway empfängt die Funksignale der Sensoren. Ein Gateway kann dabei Daten vieler Geräte gleichzeitig empfangen.
Das Gateway besitzt normalerweise zusätzlich eine Verbindung zum Internet, beispielsweise über Ethernet, WLAN oder Mobilfunk. Darüber werden die empfangenen Daten weitergeleitet.
Wer ein eigenes LoRaWAN-Netz aufbauen möchte, findet inzwischen kompakte Gateways für den Heimgebrauch. Wichtig ist dabei, auf die für Europa vorgesehene 868-MHz-Version zu achten.
3. Network Server
Der Network Server kümmert sich um die Verwaltung des LoRaWAN-Netzwerks. Er erkennt unter anderem die Geräte und verarbeitet die eingehenden Nachrichten.
4. Anwendung
Am Ende landen die Messwerte in einer Anwendung. Das kann beispielsweise eine IoT-Plattform, eine Datenbank oder eine Smart-Home-Lösung sein.
So lassen sich die Werte anschließend visualisieren, speichern oder für Automationen verwenden.
Welche Reichweite hat LoRa?
Die große Reichweite gehört zu den wichtigsten Vorteilen von LoRa. Eine feste Kilometerangabe gibt es allerdings nicht, weil Gebäude, Gelände, Antennen und Montagehöhe einen großen Einfluss haben.
Unter günstigen Bedingungen sind mehrere Kilometer möglich. In einem Wohngebiet mit Häusern, Bäumen und anderen Hindernissen fällt die Reichweite entsprechend geringer aus. Trotzdem erreicht LoRa häufig Orte, an denen WLAN längst nicht mehr funktioniert.
Interessant ist außerdem die vergleichsweise gute Gebäudedurchdringung. Dadurch eignet sich LoRa beispielsweise für Sensoren in Kellern, Garagen oder größeren Gebäuden.
Bei größeren Entfernungen spielt auch die Antenne eine wichtige Rolle. Gerade bei Experimenten mit ESP32-LoRa-Boards kann eine vernünftige 868-MHz-Antenne einen spürbaren Unterschied machen.
Welche Frequenz verwendet LoRa?
LoRa arbeitet je nach Region in unterschiedlichen lizenzfreien Frequenzbereichen. In Europa wird für LoRaWAN typischerweise der Bereich um 868 MHz verwendet. Man spricht deshalb häufig von EU868.
Andere Regionen verwenden andere Frequenzpläne. Geräte aus den USA arbeiten beispielsweise häufig im Bereich um 915 MHz. Wer LoRa-Hardware bestellt, sollte deshalb darauf achten, dass das Gerät zur vorgesehenen Region passt.
Warum benötigt LoRa so wenig Strom?
Ein LoRa-Sensor muss normalerweise keine dauerhafte Funkverbindung aufrechterhalten. Viele Geräte verbringen den größten Teil ihrer Zeit im Schlafmodus.
Ein typischer Sensor könnte beispielsweise alle 15 Minuten aufwachen, einen Messwert aufnehmen, ein kleines Datenpaket übertragen und anschließend wieder schlafen.
Dadurch können batteriebetriebene Geräte sehr lange betrieben werden. Bei geeigneter Hardware und entsprechend seltenen Übertragungen sind Laufzeiten von mehreren Jahren möglich.
Wofür eignet sich LoRa?
Besonders sinnvoll ist LoRa überall dort, wo kleine Datenmengen über größere Entfernungen übertragen werden müssen.
- Temperatursensoren
- Wetterstationen
- Bodenfeuchtesensoren im Garten
- Füllstandssensoren für Tanks und Zisternen
- Wasser- und Energiezähler
- Sensoren in Garagen und Nebengebäuden
- Landwirtschaft und Gewächshäuser
- Parkplatzsensoren
- Umweltsensoren
- Tracking und Logistik
Auch für eigene Projekte mit ESP32 und ähnlichen Mikrocontrollern gibt es inzwischen zahlreiche LoRa-Funkmodule.
LoRa oder WLAN?
LoRa und WLAN haben sehr unterschiedliche Einsatzgebiete.
| LoRa | WLAN | |
|---|---|---|
| Reichweite | sehr hoch | eher gering |
| Datenrate | niedrig | hoch |
| Stromverbrauch | sehr niedrig möglich | vergleichsweise hoch |
| Batteriesensoren | sehr gut geeignet | nur bedingt geeignet |
| Video/Audio | ungeeignet | gut geeignet |
| Sensordaten | sehr gut geeignet | gut geeignet |
Eine Kamera über LoRa zu betreiben wäre beispielsweise keine sinnvolle Anwendung. Für einen Sensor, der zweimal pro Stunde einen Messwert überträgt, kann LoRa dagegen ideal sein.
LoRa oder Zigbee?
Auch Zigbee wird häufig für stromsparende Sensoren eingesetzt. Der Schwerpunkt liegt jedoch stärker auf dem Smart Home innerhalb eines Hauses.
Zigbee-Geräte bilden normalerweise ein Mesh-Netzwerk. Netzbetriebene Geräte können Nachrichten anderer Teilnehmer weiterleiten. Dadurch lässt sich die Reichweite innerhalb eines Hauses verbessern.
LoRa setzt dagegen auf besonders große Funkreichweiten. Für einen Türsensor im Wohnzimmer ist Zigbee deshalb meist praktischer. Ein Sensor im 500 Meter entfernten Gartenhaus wäre dagegen ein interessantes Einsatzgebiet für LoRa.
Brauche ich für LoRaWAN ein Gateway?
Für ein klassisches eigenes LoRaWAN-Netz wird mindestens ein Gateway benötigt. Es bildet die Verbindung zwischen den LoRa-Sensoren und dem IP-Netzwerk.
Es gibt allerdings auch öffentliche oder gemeinschaftlich betriebene LoRaWAN-Netze. Befindet sich ein passendes Gateway in Reichweite, muss deshalb nicht zwangsläufig ein eigenes installiert werden.
Alternativ kann LoRa auch ohne LoRaWAN verwendet werden. Zwei Mikrocontroller können beispielsweise direkt per LoRa miteinander kommunizieren. In diesem Fall baut man sein eigenes Funkprotokoll auf und nutzt keinen vollständigen LoRaWAN-Stack.
Kann LoRa mit Home Assistant genutzt werden?
Grundsätzlich ja. LoRaWAN-Sensordaten lassen sich über verschiedene Wege an Home Assistant übergeben. Häufig erfolgt die Verbindung über MQTT oder über eine vorhandene IoT-Plattform.
Damit werden interessante Eigenbauprojekte möglich. Ein weit entfernt montierter ESP32 könnte beispielsweise einen Wasserstand erfassen und diesen per LoRa übertragen. Anschließend landet der Messwert über ein Gateway und MQTT in Home Assistant.
Wer bereits mit ESP32, MQTT und Home Assistant arbeitet, bekommt mit LoRa damit eine interessante Möglichkeit für Sensoren außerhalb der WLAN-Reichweite.
Welche Hardware brauche ich zum Ausprobieren?
Wer LoRa zunächst nur ausprobieren möchte, braucht kein großes Netzwerk. Für eine einfache direkte Funkverbindung reichen beispielsweise zwei ESP32-LoRa-Boards aus.
- 2 × ESP32 mit LoRa-Modul
- 2 × passende 868-MHz-Antennen
- USB-Kabel zur Programmierung
- optional Sensoren für Temperatur oder Luftfeuchtigkeit
Damit lässt sich bereits testen, wie sich Entfernung, Gebäude und Antennenposition auf die Funkverbindung auswirken.
Welche Nachteile hat LoRa?
Die große Reichweite hat ihren Preis. LoRa ist für kleine Datenpakete ausgelegt und bietet nur geringe Datenraten. Außerdem gibt es für die verwendeten Funkfrequenzen gesetzliche Vorgaben zur Nutzung des Funkkanals.
Für schnelle Steuerungen, große Datenmengen oder ständig aktualisierte Informationen ist die Technik deshalb weniger geeignet.
Für klassische Sensorwerte spielen diese Einschränkungen meist keine große Rolle.
Fazit: LoRa ist ideal für weit entfernte Sensoren
LoRa schließt eine interessante Lücke zwischen klassischen Smart-Home-Funkstandards und Mobilfunk. Die Technik erreicht große Entfernungen, kommt mit sehr wenig Energie aus und eignet sich hervorragend für kleine Sensordaten.
LoRaWAN ergänzt die Funktechnik um einen standardisierten Netzwerkaufbau mit Gateways und Servern. Gerade bei mehreren Sensoren oder größeren Installationen wird daraus ein leistungsfähiges IoT-Netzwerk.
Für Smart-Home-Bastler wird LoRa besonders spannend, sobald Sensoren außerhalb der üblichen WLAN- oder Zigbee-Reichweite betrieben werden sollen. Garten, Garage, Zisterne oder Wetterstation sind typische Beispiele, bei denen sich ein genauerer Blick auf die Technik lohnt.
Häufige Fragen zu LoRa und LoRaWAN
Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?
LoRa bezeichnet die Funktechnik zur Übertragung der Daten. LoRaWAN ist ein Netzwerkprotokoll, das LoRa verwendet und die Kommunikation zwischen Sensoren, Gateways und Servern regelt.
Wie weit reicht LoRa?
Je nach Umgebung sind mehrere Kilometer möglich. In Städten reduzieren Gebäude und andere Hindernisse die Reichweite. Auf freiem Gelände können deutlich größere Entfernungen erreicht werden.
Welche Frequenz nutzt LoRa in Deutschland?
Für LoRaWAN wird in Deutschland und vielen anderen europäischen Ländern üblicherweise der EU868-Frequenzbereich um 868 MHz verwendet.
Ist LoRa kostenlos nutzbar?
LoRa arbeitet in lizenzfreien Frequenzbereichen. Beim Betrieb müssen trotzdem die jeweiligen gesetzlichen Funkvorgaben eingehalten werden. Für öffentliche LoRaWAN-Netze oder zusätzliche Dienste können außerdem Kosten entstehen.
Kann ich LoRa selbst mit einem ESP32 ausprobieren?
Ja. Es gibt zahlreiche ESP32-Boards mit integriertem LoRa-Funkchip sowie separate LoRa-Module. Damit lassen sich bereits mit zwei Geräten erste Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und später auch komplette LoRaWAN-Projekte aufbauen.
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