Verbesserung der Reichweite und Energieeffizienz eines Smart-Thermostats mit LoRaWAN
Über den Kunden
Eurotronic Technology zählt seit über 25 Jahren zu den führenden Anbietern smarter Heizlösungen für private und gewerbliche Anwendungen. Mit Fokus auf Innovation und Nachhaltigkeit liefert Eurotronic hochwertige, benutzerfreundliche Lösungen, die zu einem nachhaltigen Energieverbrauch beitragen.
Die Herausforderung
Eurotronic bietet eine breite Auswahl an Thermostaten auf Basis von Funkkommunikationsprotokollen wie WLAN, Zigbee usw. Das Unternehmen beauftragte Lemberg Solutions mit der Entwicklung der Software für ein Funkmodul auf Basis des LoRaWAN-Protokolls. Wir wurden mit folgenden Zielen beauftragt:
Erzielter Mehrwert
Die Lösung
Gemeinsam mit dem Eurotronic-Team definierte Lemberg Solutions zunächst die Produktanforderungen und Funktionsumfänge. Anschließend analysierten wir die Software- und Elektronikarchitektur, die Kommunikationsprotokolle, den Energieverbrauch sowie projektspezifische Parameter wie Budget und Zeitrahmen. In enger Abstimmung mit dem Kundenteam entwickelten wir die Firmware für das LoRaWAN-Funkmodul und unterstützten zusätzlich mit technischer Expertise beim Schaltplan- und PCB-Design mehrerer Modulrevisionen, die vom Kundenteam umgesetzt wurden.
Funktionsweise
Das LoRaWAN-Funkmodul ermöglicht eine nahtlose Kommunikation zwischen der Cloud und der Steuerplatine des Geräts, um Daten und Steuerbefehle effizient auszutauschen. Das Thermostat wird am Heizkörper montiert und verfügt über einen integrierten Motor, der die Raumtemperatur regelt, indem er die Ventilöffnung des Heizkörpers anpasst und damit den Durchfluss des Wärmeträgers steuert.
Wenn die Nutzer:innen die Temperatur am Thermostat ändern, überträgt das LoRaWAN-Modul das Signal an das LoRa-Gateway, das es zur Cloud weiterleitet. Nach der Verarbeitung sendet die Cloud Steuerbefehle zurück, die das Funkmodul über eine serielle Schnittstelle an die Steuerplatine übergibt. Diese justiert daraufhin mithilfe des DC-Motors die Ventilöffnung – und regelt so die Raumtemperatur präzise und energieeffizient.
Prozess zur Optimierung der Energieeffizienz
Um die Energieeffizienz des Thermostats zu optimieren und einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 70 mW zu erreichen, überarbeitete unser Team Teile der bestehenden ST-LoRaWAN-Bibliothek, um den Low-Power-Modus gezielt zwischen den Datentransaktionen zu erzwingen. Das Gerät arbeitet gemäß den LoRaWAN-Gerätespezifikationen und befindet sich überwiegend in Klasse A, um die geringstmögliche Leistungsaufnahme zu erreichen. Nur für Over-the-Air-Updates (OTA) schaltet es vorübergehend in Klasse C mit höherem Energiebedarf – und kehrt anschließend so schnell wie möglich in den stromsparenden Betrieb zurück.
Das Thermostat synchronisiert sich alle paar Minuten mit der Cloud, um Updates zu prüfen, ohne dabei unnötig Energie zu verbrauchen. Für optimale Reichweite bei gleichzeitig niedrigem Verbrauch testeten wir verschiedene Antennentypen und LoRaWAN-Konfigurationen, um die beste Kombination aus Energieeffizienz und Kommunikationsleistung zu erzielen.
Implementierung sicherer OTA-Updates
Da das Team von Eurotronic an der Entwicklung seiner Cloud-Infrastruktur arbeitete, nutzten wir Open-Source-Cloud-Lösungen, um einen reibungslosen Ablauf zu testen. Wir setzten Cloud-Server ein, um den Datenaustausch zwischen Gerät und Cloud zu verifizieren, sowie für Over-the-Air-Updates (OTA). Zur Absicherung der OTA-Updates implementierten wir eine Signierung der Firmware-Images, Verschlüsselung der übertragenen Daten sowie eine Integritätsprüfung, die Manipulation oder Ersetzung während der Übertragung verhindert. Darüber hinaus implementierten wir eine selbsttestende Firmware, die beim Produktionsstart automatisch Diagnoseprüfungen durchführt und sicherstellt, dass die Thermostathardware in der Fertigung wie vorgesehen funktioniert.
Als Ergebnis unserer erfolgreichen Zusammenarbeit bereitet Eurotronic die Markteinführung eines LoRaWAN-basierten Thermostats im 1. Quartal 2025 vor.
Wir sind äußerst zufrieden mit der robusten Firmware, die das Team von Lemberg Solutions für unseren LoRaWAN-basierten Thermostat-Controller geliefert hat. Sie arbeitet selbst unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig. Der geringe Stomverbrauch liegt im erwarteten Bereich und gewährleistet eine längere Batterielebensdauer, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Dieses Firmware-Release ist ein Beleg für das tiefe Verständnis des Lemberg-Teams sowohl für LoRaWAN-Protokolle als auch für energieeffizientes Embedded-System-Design.
