LoRa und EnOcean stellen unterschiedliche Ansätze bei der Auswahl von Funkstandards zur Gebäudeautomation und -steuerung dar. Welcher davon eignet sich am besten für Ihre Smart-Building-Anwendungen?

Autor: Pete Smith, Head of Sales and Marketing, iaconnects

Zwei populäre Funkstandards für Anwendungen in der Gebäudeautomation sind LoRa (zusammen mit seiner Wide-Area-Network-Implementierung, LoRaWAN) und das EnOcean-Funkprotokoll. Beide wurden entwickelt, um Geräte – in der Regel Sensoren – mittels drahtloser Datenübertragung und entsprechender Methoden zu einem IoT-Netzwerk zu verbinden. Diese Ähnlichkeit allerdings ist nur oberflächlich.

Das ist LoRa

LoRa steht für „Long Range Radio“ oder, wie die LoRa Alliance es formuliert: “ Bereitstellung von Konnektivität mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite in groß angelegten kommerziellen Lösungen“. Mit einer Signalreichweite von bis zu 16 km gibt es eine Fülle geeigneter Anwendungen für diese Technologie. So lassen sich Daten zur Luftqualität im Freien, zur Verfügbarkeit von Parkplätzen oder Zählerstandsignale von einem intelligenten Zähler an eine zentrale Sammelstelle senden, die bis zu einigen Kilometern entfernt ist. Je nach Lösung geschieht dies mit einer vordefinierten Frequenz.

Allerdings stellt sich die Frage, ob sich ein relativ langsam sendender Langstreckenfunk auch für die Gebäudeautomation eignet. Ein LoRaWAN-Signal, das 16 km zurücklegt, braucht Sekunden, bis es gesendet wird und benötigt viel Energie. Das passt nur schlecht zu einer typischen Gebäudeautomationsanwendung wie das Einschalten einer Lichtquelle von einem vielleicht 5 Meter entfernten Schalter.

LoRa eignet sich trotzdem für die Gebäudeautomation, da in großen Gebäuden keine umfangreiche Infrastruktur von Gateways oder Empfängern installiert werden muss.  So kann ein Signal zum Beispiel vom Keller bis in den 25. Stock eines Gebäudes reichen. Allerdings sind diese langen und energieintensiven Signale für einige Anwendungen in der Gebäudeautomation und -steuerung nicht ideal. Die daraus resultierende Latenzzeit stellt nicht nur den Anwender vor Probleme, sie liegt vielfach auch außerhalb der nationalen Beleuchtungsspezifikationen.

Die Lösung bei LoRa besteht darin, die Datenrate zu erhöhen, mit der physikalische Konsequenz, dass sich die Reichweite entsprechend verringert – der sog. „spreading factors“ (oder SF). So erhöht SF7 die Datenrate auf 5kbps. Damit entspricht LoRa einem Kurzstreckenfunk in der Größenordnung von EnOcean, Bluetooth, ZigBee oder Z-Wave. Zudem vebraucht LoRa selbst im „Kurzstrecken“-Modus SF7 im Vergleich zu alternativen IoT-Protokollen sehr viel Energie. Dies rückt den Betrieb kostengünstiger Energy-Harvesting-Produkte in Innenräumen in weite Ferne. Geräte mit extrem niedrigem Energieverbrauch können verwendet werden. Sie benötigen allerdings immer noch Batterien für ihren Betrieb.

Insgesamt ist die LoRaWAN®-Spezifikation ein Low Power Wide Area (LPWA)-Netzwerkprotokoll, das für die drahtlose Verbindung batteriebetriebener „Dinge“ mit dem Internet in regionalen, nationalen oder globalen Netzwerken entwickelt wurde und zentrale Anforderungen des Internets der Dinge (IoT) erfüllt. Hierzu zählen bidirektionale Kommunikation, End-to-End-Sicherheit, Mobilität und Lokalisierungsdienste. Das bedeutet: Besteht der primäre Anwendungsfall darin, wertvolle Daten wie etwa Außenluftqualität (erkennbar an z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂) zu sammeln, und lassen sich die entsprechenden Sensoren mit Kabel oder Batterien (die ausgetauscht werden müssen) versorgen, dann kann LoRa ein geeignetes Protokoll sein.

Seine große Reichweite über unlizenzierten Funk macht es zu einer idealen Wahl für spezifische Anwendungen wie Umweltsensoren in Städten, Steuerung und Überwachung von Straßenlaternen, intelligentes Parken, Basissteuereinheiten für landwirtschaftliche Betriebe sowie Überwachung kleinerer Objekte.

Eine batterielose Alternative

Im Gegensatz zu LoRa wurde das EnOcean-Funkprotokoll von Anfang an mit Blick auf energieautarke Geräte und Gebäudeautomation entwickelt.

In Europa nutzt EnOcean die 868,3MHz-Frequenz, die sich gut für die Übertragung kurzer Datenpakete mit einer Rate von 125 kbit/s eignet. EnOcean profitiert von extrem kurzen Latenzzeiten, die in der Praxis selbst bei zeitkritischen Geräten wie Schaltern nicht zu erkennen sind. Die Reichweite in Innenräumen ist mit rund 30 m deutlich größer als bei Zigbee. Darüber hinaus ist das EnOcean-Protokoll als ISO/IEC-Standard international anerkannt, so dass eine hohe Interoperabilität mit Geräten verschiedenster Anbieter aus der EnOcean Alliance – einer offenen Non-Profit-Organisation – mit mehr als 400 Mitgliedern, darunter viele aus dem Bereich der Gebäudeautomation, gewährleistet ist. Innerhalb einer übergreifenden Infrastruktur können EnOcean-Geräte direkt untereinander kommunizieren.

Zudem wird die Integration von EnOcean-Geräten in Regler der Gebäudeautomation (DDC-System) durch die Bereitstellung von EnOcean-Schnittstellen durch viele Hersteller erleichtert; alternativ stehen weitere Gateway-Lösungen (z. B. EnOcean-IP, EnOcean-KNX, EnOcean-DALI etc.) zur Verfügung. Verschiedenste Sensoren für die Gebäudeautomation sind von vielen Anbietern verfügbar. Über die Heimautomation für Endverbraucher hinaus bietet EnOcean ein Ökosystem, das sich ideal für den professionellen, qualitativ hochwertigen und zuverlässigen Betrieb eignet, der zudem jahrzehntelang wartungsfrei ist. In den 20 Jahren seit der Standardisierung des Protokolls wurde es in Millionen von Gebäuden installiert und hält, was es verspricht: niedrige CO₂-Belastung und wenig Elektrosmog.

Anwendungsfälle stecken das Spielfeld ab

Die etablierten Ökosysteme sind objektiv vergleichbar, wenn man ihre Eignung im Hinblick auf die verschiedenen Anwendungsbereiche ebenso bewertet wie die Herausforderungen, die sich aus Aufbau, Betrieb und Wartung der notwendigen Infrastruktur ergeben.

Prof. Dr. Michael Krödel vom IGT (Institut für Gebäudetechnik) stellt in seiner wegweisenden Studie zu Automatisierungs- und Steuerungstechnologien fest, dass Funkstandards zur Einbindung von Sensoren in entsprechende Anwendungen immer wichtiger werden. Ausgangspunkt seiner Studie sind die Anforderungen an die Raum- und Gebäudeautomation auf der einen Seite und diejenigen an „Smart Buildings“ auf der anderen Seite. Prof. Krödel berücksichtigte acht Kriterien, um eine Gesamtnote von 0 bis 2 für die Eignung zu vergeben.

Auf dieser Basis erhielten Technologien, die auf ungeeigneten Frequenzbändern basieren (KO-Kriterium), die Note 0. LoRa erhält eine durchschnittliche Bewertung und verschenkt Punkte für seine unnötig großen Datenpakete und die zu hohe Reichweite mit SF7. EnOcean schafft die maximal mögliche Bewertung, da Datenübertragungsraten, Reichweite und Latenzzeiten im geforderten Bereich liegen.

Infrastrukturen entsprechen Anforderungen

Beide Protokolle befinden sich im Mittelfeld, was die Leistungsfähigkeit ihrer Infrastruktur angeht.

LoRa-Netzwerke finden in einigen städtischen Ballungsräumen als providerabhängige Alternativlösung Verwendung. Mit LoRaWAN und EnOcean lassen sich Sensordaten entweder direkt oder über IP-basierte Netzwerke in IoT-Infrastrukturlösungen wie MobiusFlow®, Gebäudeautomationssteuerungen (DDC-Systeme) integrieren.

MobiusFlow® ist eine IoT-Edge-Plattform, die in den letzten 15 Jahren von IAconnects Technology Ltd (iaconnects) entwickelt wurde, um eine herstellerunabhängige Konnektivität des Internets der Dinge (IoT) mit der Cloud oder lokalen Computern zu ermöglichen. Es kann in der Cloud, in geschlossenen sicheren Netzwerken, in Wi-Fi-basierten Systemen arbeiten oder eine eigene Datenverbindung (3G/4G) nutzen, sofern es in Verbindung mit der kundenspezifischen Hardware von IA verwendet wird. Mehr über MobiusFlow® erfahren Sie hier.

Energy Harvesting – ein entscheidender Vorteil

Die konsequente Ausrichtung von EnOcean auf energieautarke Geräte bringt einen weiteren Vorteil gegenüber dem Wettbewerb im Bereich der Gebäudeautomation mit sich. Denn sämtliche EnOcean-Geräte erfüllen das entsprechende Kriterium, während andere Protokolle, einschließlich LoRa, hauptsächlich auf Netz- oder Batteriestrom angewiesen sind. Das verschlechtert den ökologischen Fußabdruck und bringt zudem die Notwendigkeit mit sich, Leitungen zu verlegen oder Batterien zu warten.

Während Sensoren zur Gebäudeautomation für LoRa-basierte Lösungen zunehmend verfügbar sind, sind LoRa-Aktoren noch immer rar. Im Gegensatz dazu bietet die EnOcean Alliance mit ihrem breiten Angebot an Sensoren unzählige Möglichkeiten. Darüber hinaus punktet EnOcean mit seinem Angebot an Mess- und Testgeräten und entsprechender Dokumentation: Beides ist leicht verfügbar und einfach zu bedienen. Mess- und Prüflösungen sind für LoRa ebenfalls verfügbar.

EnOcean und LoRaWAN? Können sie sich ergänzen?

Das Gesamtergebnis lautet: „EnOcean eignet sich hervorragend für Anwendungen in der Gebäudeautomation“. Lediglich die erforderliche Backbone-Infrastruktur trübt die perfekte Bewertung. Demgegenüber passt LoRaWAN  zu Gebäudemonitoring-Lösungen, bei denen Kabelstrom zur Verfügung steht oder sich die Anwendung problemlos mit Batterien versorgen lässt.

Die Verwendung mehrerer Protokolle wie EnOcean für die Gebäudeautomation im Innenbereich und LoRaWAN für die Überwachung im Außenbereich ermöglicht die Auswahl der besten Geräte je nach Lösung. Vorzüge wie geringer Stromverbrauch, bidirektionale Kommunikation sowie durchgängige Sicherheits-, Mobilitäts- und Lokalisierungsdienste lassen sich in MobiusFlow® und damit in einem einzigen effizienten System kombinieren.