Monitoring in buitengebieden nu energiezuinig en goedkoop LoRa en The Things Network als infrastructuur voor het Internet der Dingen
Vuilnisbakken die aangeven dat ze vol zijn, plantjes die aan de bel trekken als ze water nodig hebben en stoeptegels die vertellen of het glad is. Het zijn maar een paar toepassingen van sensortechnologie en het Internet der Dingen. Maar het wordt natuurlijk pas écht interessant als het mogelijk is om real-time locatie te monitoren, bijvoorbeeld om een postpakket te volgen of een vermist huisdier terug te vinden. Welke mogelijkheden bieden LoRa en het open source The Things Network voor experimenteren met en bouwen aan het Internet der Dingen? Door Willy Bakker
6 |
Het is al lang niet meer zo dat alleen mensen met elkaar verbonden zijn via het internet. Volgens Gartner waren er eind 2015 bijna vijf miljard apparaten aangesloten op het internet. In 2020 zijn dat er meer dan 20 miljard. Een nieuw tijdperk is aangebroken, dat van het internet der dingen. Het internet der dingen (ook wel Internet of Things of IoT) biedt ongekende mogelijkheden, zeker in combinatie met slimme algoritmen. Met sensoren kun je van alles meten, bijvoorbeeld de temperatuur, snelheid of afstand tot obstakels. Actuatoren maken het mogelijk om invloed uit te oefenen op de omgeving, bijvoorbeeld door een ventilator aan te zetten, de snelheid aan te passen of de richting te veranderen. Apparaten met sensoren en actuatoren zijn verbonden met internet en communiceren met elkaar. Ze zijn ‘semiintelligent’ en nemen zelfstandig beslissingen. Denk aan tuinberegening die automatisch aan gaat wanneer de grond te droog is, maar ook aan zelfsturende auto’s.
voor het open source The Things Network. Je kunt er zelfs voor kiezen om je eigen, private LoRa-netwerk in de lucht te brengen.
LoRa-technologie Een LoRa-netwerk bestaat uit nodes, gateways en de backend (zie figuur 1). Nodes communiceren met gateways via radiosignalen. Ze zijn niet verbonden met het internet. Nodes zijn gekoppeld aan sensoren en actuatoren. Ze geven sensormetingen door aan de gateways en sturen op basis van ontvangen berichten actuatoren aan. Infrastructuur Gateways kunnen via radiosignalen berichten Om de mogelijkheden van het internet der dingen beter te kunnen benutten, is een goede van nodes ontvangen, maar ook berichten naar nodes versturen. Gateways communiceren via infrastructuur nodig voor het verzenden van het internet met de backend servers. Gateways berichten. Omdat het aantal apparaten naar doen dienst als router. Ze sturen berichten van verwachting snel toeneemt, is het belangrijk dat deze infrastructuur schaalbaar is. LoRa is een de nodes door naar de backend, en vice versa. Berichten op de backend servers kunnen via technologie die hier bij uitstek geschikt voor het internet opgevraagd en verwerkt worden is. LoRa-technologie is geënt op de LoRaWAN in je eigen applicatie. Hiervoor zijn koppelvlakopen standaard. LoRaWAN staat voor Long ken beschikbaar. Vanuit je applicatie kun je via Range Wide Area Network. Er zijn verschillende deze koppelvlakken ook berichten versturen partijen die een LoRa-netwerk aanbieden. Afhankelijk van de eisen die je stelt aan de infra- naar je nodes en zo acties in gang zetten. Het versturen van berichten via LoRa is veilig. structuur, kies je voor het LoRa-netwerk van een commerciële partij als KPN of bijvoorbeeld Je kunt de node zo configureren, dat er gebruik wordt gemaakt van een netwerk- en applicatiesleutel. Op de data zit dan 128 bit AES-encryptie en de integriteit van berichten staat vast. Niemand kan onderweg in de data kijken of het bericht aanpassen. Ook in de backend blijft de data versleuteld. De encryptie gaat er pas af, nadat je het bericht ontvangen hebt. Dat moet je zelf doen in de ontvangende applicatie.
Geo-Info | 2016-4
Figuur 1 - LoRa-architectuur. Voordelen van LoRa Met een LoRa-netwerk kun je kleine hoeveelheden informatie uitwisselen over lange afstanden bij een erg laag stroomverbruik. LoRa heeft maar een kleine bandbreedte. De doorvoersnelheid van 50 kbps is weliswaar weinig, maar genoeg om een temperatuurmeting door te geven. LoRa is bi-directioneel; je kunt zowel berichten van een node ontvangen als berichten naar een node versturen. Het bereik van een LoRa-gateway is 5-15 kilometer. Een LoRa-node kan tot wel 10 jaar op één 9V batterij. LoRa biedt dus een energiezuinige oplossing. De hardware is bovendien relatief goedkoop en één gateway kan wel 10.000 nodes bedienen. Dit alles maakt LoRa heel geschikt voor het ondersteunen van het internet der dingen. Met LoRa is het zelfs mogelijk om apparaten aan te sluiten die zich in een gebied bevinden zonder internet- of elektriciteitsaansluiting! Vanwege de kleine bandbreedte is LoRa níet geschikt voor spraak- of videotoepassingen. Daarvoor kun je beter andere technologieën gebruiken, bijvoorbeeld Wi-Fi of 4G.
LoRa
Wi-Fi
Bluetooth
4G
5 km
100 m
20 m
10 km
50 kbps
300 mbps
3 mbps
150 mbps
10 jaar
24 uur
7 dagen
36 uur
LoRa
Wi-Fi
Bluetooth
4G
Bereik
++
-
--
++
Doorvoersnelheid
--
++
-
++
Batterijverbruik
++
--
+
-
Prijs
++
++
++
--
Bereik Doorvoersnelheid Batterijverbruik
Bron: Joshua Peper, SMC050, januari 2016.
Bron: Joshua Peper, SMC050, januari 2016. KPN is overtuigd van het belang van LoRa en biedt dit najaar landelijke dekking met haar LoRa-netwerk. Waarschijnlijk volgen er nog andere telecom-providers. Naast de LoRa-net-
werken van commerciële telecom providers, is er ook een open alternatief: The Things Network. The Things Network The Things Network (TTN) is een gedecentraliseerd, open en gecrowdsourced LoRanetwerk. Er is geen telecom provider die controleert wie toegang heeft tot het netwerk. ‘Wij willen – net als bij internet – een open en vrij toegankelijk internet der dingen’, aldus medeoprichter Wienke Giezeman. Iedereen kan meedoen, een gateway aansluiten en daarmee helpen om de dekkingsgraad te vergroten. Een gateway kost 250 euro. Ook zonder eigen gateway kun je (gratis!) gebruik maken van TTN, als je maar binnen het bereik van een gateway zit. TTN is ontstaan in Amsterdam. Na een succesvol KickStarter-project zijn er nu TTN-communities over de hele wereld. Van de Verenigde Staten tot Zuid-Afrika en van Argentinië tot de Filipijnen. Maar ook binnen Nederland is het netwerk al flink uitgebreid. Niet alleen personen en bedrijven investeerden via KickStarter
The Things Network gateway (foto: The Things Network).
2016-4 | Geo-Info
| 7
in TTN, maar ook de overheid. Groningen en Drenthe bestelden genoeg gateways, zodat er eind dit jaar een provinciedekkend TTNnetwerk beschikbaar is. Aan de slag! Wat heb je nodig om met TTN aan de slag te gaan? Allereerst een ontwikkelbord, bijvoorbeeld een Arduino of Raspberry Pi. Vervolgens een LoRa-module en antenne. Let op dat je een module koopt die geschikt is voor de LoRa-frequenties in Nederland (863-870 MHz)! Je hebt natuurlijk ook sensoren nodig. Het soort is afhankelijk van wat je wilt meten. Het is ook handig om een laptop of MacBook te hebben, voor het programmeren van je ontwikkelbord en het testen op locatie. Via de TTN-website kun je veel informatie en voorbeeldcode vinden. In het forum en de Slack-groep kun je vragen stellen. Ook zijn er regelmatig bijeenkomsten waar je hulp kunt krijgen, bijvoorbeeld in Amsterdam, Friesland en Enschede. Tracking & tracing Een GPS-module verbruikt veel energie en is daardoor niet geschikt voor mobiele nodes. Positiebepaling met LoRa maakt gebruik van het tijdstip waarop een bericht aankomt bij verschillende gateways. Het verschil tussen die aankomsttijden is afhankelijk van de afstand van de node tot de gateways en zo kan de locatie van de node berekend worden. Voorwaarde is dat het bericht door tenminste drie gateways wordt opgepikt en dat de internetklok van deze gateways exact gelijk loopt. Dat wordt lastig voor TTN, omdat alle gateways een andere eigenaar en beheerder hebben. KPN heeft echter aangekondigd dat met ingang van 2017 haar LoRa-netwerk geschikt is voor positiebepaling op basis van Time Difference of Arrival met een nauwkeurigheid 25 à 30 meter.
Verwachte dekking van The Things Network in het najaar van 2016. Toch is het ook met TTN mogelijk om de positie van een node te bepalen. De SODAQ ONE (ook wel bekend onder de naam LoRaONE) is een nieuw Arduino ontwikkelbord dat onlangs via KickStarter gelanceerd is. Het is zo groot als een luciferdoosje. De SODAQ ONE heeft niet alleen een geïntegreerde LoRa-module, maar ook een GPS.
De SODAQ ONE, ook wel bekend onder de naam LoRaONE (foto: SODAQ).
8 |
Geo-Info | 2016-4
Deze GPS staat standaard uit. Als hij wordt aangezet, krijgt hij al binnen een paar seconden een GPS-fix. De positie wordt op een paar meter nauwkeurig bepaald, mits er goed zicht op de hemel is. Volgens de leverancier kun je met de SODAQ ONE iedere 5 minuten de locatie bepalen voor minder dan 1% van het energieverbruik van constant monitoren met een reguliere GPS. Dit wordt ‘near-realtime tracking’ genoemd. De SODAQ ONE is niet meer te bestellen via KickStarter, maar binnenkort wel via de SODAQ webshop. Toepassingen SODAQ en de TTN-community werken samen met parkwachters in Tanzania om neushoorns te redden van stropers. Met slechts 10 TTNgateways is het hele natuurpark gedekt en de SODAQ ONE is klein en energiezuinig genoeg om als node dienst te doen. Dankzij de Afrikaanse zon en kleine zonnepaneeltjes zitten de nodes nooit zonder spanning. De berichten die de nodes versturen kunnen niet afgeluisterd worden door stropers. Op deze manier hebben de parkwachters 24/7 op een veilige manier inzicht in waar de neushoorns zich bevinden. Maar ook dichter bij huis zijn er interessante toepassingen, bijvoorbeeld bij de provincie Groningen. Bij windkracht zes of hoger is het niet veilig
Links www.thethingsnetwork.org www.sodaq.com www.kickstarter.com www.github.com/ProvincieGroningen www.vriendenvandeotter.nl
Willy Bakker is Informatiearchitect bij de provincie Groningen. Zij is bereikbaar via w.m.bakker. tadema@provinciegroningen.nl en op Twitter actief als @friesewoudloper.
Australië schuift op
Irek Roslon, projectleider bij de provincie Groningen, met een windmetersensor.
Prototype van de GPS-tracker van het Otterstation Nederland. om grote containerschepen door een brug te laten. De kans dat het schip zijwaarts afdrijft, tegen het remmingwerk botst en de brug beschadigt, is groot. De provincie plaatst binnenkort twee windmeters in het buitengebied tussen Zuidbroek en Sappemeer, zodat brugbedienaren via een app tijdig geïnformeerd worden over de windkracht en –richting. Zo kunnen ze indien nodig schepen stil laten leggen. De sensormetingen worden via The Things Network doorgestuurd naar de bedieningspost in Delfzijl. De broncode voor de app is te downloaden via de GitHub-repository van de provincie Groningen. Een ander voorbeeld is van Otterstation Nederland. De stichting ontwikkelde een prototype
‘Australië wordt 1,8 meter opgeschoven. Niet dat het hele continent verplaatst hoeft te worden: alleen de gebruikte coördinaten worden aangepast. Voor plaatsbepalingen op het continent gebruikt het land de Geocentric Datum of Australia, een serie ijkpunten in het landschap. Probleem is echter dat het continent op de snelst bewegende tektonische plaat ter wereld ligt. Daardoor schuift Australië elk jaar zo’n 7 centimeter op ten opzichte van de wereldwijde GPS-coördinaten die met satellieten worden vastgesteld. Dat kan tot allerlei problemen leiden, bijvoorbeeld bij de introductie van zelfrijdende auto’s. Doordat die uitgaan van de wereldwijde coördinaten, zouden auto’s naast de weg terechtkomen: het verschil is inmiddels namelijk al opgelopen tot 1,5 meter. Australië gaat daarom vanaf volgend jaar nieuwe ijkpunten gebruiken op het continent. Er is voor gekozen de Australische ijkpunten 1,8 meter op te schuiven, zodat er tot de komende jaren geen aanpassingen meer nodig zijn. In Nederland werkt het Kadaster met rijksdriehoekscoördinaten. Die werden vroeger ook vastgesteld aan de hand van ijkpunten op de grond, met de Onze Lieve Vrouwetoren in Amersfoort als 0-punt. Tegenwoordig worden GPS-metingen gebruikt.’
voor een tracker voor wilde dieren. De eerste testresultaten zijn positief. Otterstation Nederland ontwikkelt het prototype nu verder op basis www.nos.nl, juli 2016. van de SODAQ ONE. De tracker kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor het volgen van otters.
Het aantal otters in Nederland neemt toe, maar er is groeiende inteelt. Om vers bloed in te brengen worden er otters uit Oost-Europa uitgezet. Door uitgezette dieren van een zender te voorzien, kan de stichting volgen wat het lot is van de otters. Waar vestigen ze zich? Hoe gaat het met ze? Kunnen ze overleven? Met behulp van het internet der dingen en LoRa wordt waardevolle informatie ver- Het Australische onderzoeksbureau AEROmetrex zameld die kan helpen om het voortbestaan van rekende uit hoeveel dat land in 2020 is verplaatst de otterpopulatie in Nederland veilig te stellen. ten opzichte van 2015 en illustreert dat zo.
2016-4 | Geo-Info
| 9