Aktuell: Workshop zu LoRa und LoRaWAN

Am 25. Februar 2018 von 15 bis etwa 21 Uhr fand der 1. Teil des Workshops zu LoRa und LoRaWAN bei uns im Hackerspace statt. Der 2. Teil ist geplant an einem Sonntag im April, ebenfalls von 15 bis etwa 21 Uhr im Hackerspace.

Please note: The main language of the workshop will be German, so the presentations of the workshop will be held in German language. However, there will be a lot of people who can assist you if you have issues in understanding the language and of course I am open to answer your questions in English as well.

Folgendes steht/stand auf der Agenda:

Agenda Teil 1

Begrüßungsrunde
- Anwendungfälle der Teilnehmer: Bienenstöcke vor Diebstahl schützen, Stratosphärenballon, Feinstaubmessungen
Vortrag Teil A: LoRa
- Was ist LoRa und wie funktioniert es?
- Verfügbare LoRa Module und mit LoRa ausgestattete Boards
- Legale Nutzung von LoRa: Nutzbare Frequenzen, Duty-cycle und Bandbreite Beschränkungen, maximale Leistung
- Wie macht man eine LoRa Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Arduino?

Workshop Teil A:
- Ziel: Erreichen einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung via LoRa unter Arduino
- Anschluss von LoRa (RFM95) Modulen an Arduino-Boards (433MHz und 868MHz)
- Konfiguration und Einstellungen für LoRa unter Arduino
- Senden und Empfangen von LoRa Paketen

Vortrag Teil B: LPWAN / LoRaWAN / The Things Network
- Wozu LPWAN? Derzeitige Situation der konkurierenden Systeme
- Was ist ein LoRaWAN?
- The Things Network: Spoilervideo :-)
  - Was kann man damit alles machen?
  - Wie baut man eine Node?
  - Wie kommt man an die Daten und verarbeitet sie weiter?

Workshop Teil B:
- Ziel: Aus dem Setup von Teil A eine Node fürs TTN machen und die Daten im TTN empfangen
- Zurechtfinden in der (leider etwas weniger intuitiven) Standard Node Software für Arduino (LMIC)
- ABP Einstellungen, um die Node zum TTN hinzuzufügen
- Empfang der Telegramme in der Console von thethingsnetwork.org

Field-Day: Wir testen die Reichweite der Node

Schlussbesprechung

Vorläufige Agenda-Ideen Teil 2: (Termin steht noch nicht fest)

Mitmachen und Erweitern des TheThingsNetworks durch ein eigenes Gateway (=Basisstation, =Konzentrator)
Was ist ein LoRaWAN Konzentrator?
Aufbau des TheThingsNetwork
Standortanforderungen für Gateways
Komponenten zum Selbstbau oder Einkauf für LoRaWAN Gateways
Antennen (ggf. Selbstbau) für Gateways
Workshop: Aufbau eines Gateways und Verbinden mit dem TTN. Antennenbau und Reichweitentests

LoRa

Was ist LoRa?

LoRa steht für Long Range und ist eine proprietäre Chirp Spread Spectrum Modulationstechnik, mit der sich deutlich höhere Reichweiten als mit klassischen Modulationsverfahren erreichen lassen. Bei gleicher Sendeleistung und im gleichen Frequenzbereich lassen sich damit Reichweiten im km-Bereich realisieren, wo mit klassischen Modulationsverfahren nur ca. 100m erreicht werden. Der Kompromiss ist dabei allerdings eine deutlich reduzierte Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber den klassischen Modulationsverfahren. Dieser kann über den sogenannten Spreizfaktor je nach Situation eingestellt werden - mit dem höchsten Spreizfaktor (SF12) kann die größte Reichweite erziehlt werden, allerdings liegt die Datenrate dann auch nur noch bei ca. 300 bit/s.

Wie nutze ich das?

Für LoRa gibt es einerseits relativ kleine Funkmodule, die man unter den Namen RFM95 oder nach dem typischerweise verwendeten Chip SX1276 (868MHz) bzw. SX1278 (433MHz) oder andererseits gleich als Kombo mit ESP32 und Display kaufen kann. Es gibt sie in einschlägigen Shops und auch aus China (aus der "Bucht") relativ günstig (ab 6 EUR/Stk). Die RFM95 werden mit einem Stückchen Draht als Antenne versehen und über SPI an einen von Arduino unterstütztes Mikrocontrollerboard angeschlossen. Da das Modul nur mit 3.3V Pegeln arbeitet, empfiehlt es sich auch ein mit 3.3V arbeitendes Mikrocontrollerboard einzusetzen.

RFM95 LoRa Modul - hier für 868 MHz mit Antenne
Ra-01 Ai-Thinker LoRa Modul - hier für 433 MHz mit Antennen in unterschiedlichen Bauformen
ESP32 mit OLED und LoRa und Antenne für ~~868 MHz~~ 433 MHz (hat ein SX1278)
Zwei Testboards aus unserem Workshop sind in der MikroEcke zu finden

Ai-Thinker Ra-01 oder Ra-02

Der Unterschied zwischen Ra-01 und Ra-02 ist lediglich der, dass der Ra-01 die Antenne an einem der Pads herausgeführt hat (und meist eine Federantenne dabei liegt), während beim Ra-02 eine Buchse für einen Antennenstecker dran ist (IPEX).

Antenne

Antennen sind für eine bestimmte Frequenz optimiert. In Europa wird das ISM-Band mit 868 Mhz verwendet.
Die Wellenlänge berechnet sich nach folgender Formel:
f = frequency in hertz (Hz)
λ = wavelength in meters (m)
c = speed of light (299.792.458 m/s)

Die Antenne muss also 34.5 cm lang sein oder ein 1/2λ = 17.25, 1/4λ = 8.63, 1/8λ = 4.31, ...

LoRa Bibliotheken

Hier gibt es folgende Bibliotheken:

LoRa by Sandeep Mistry Einfach nur zur Ansteuerung des LoRa-Moduls in Arduino ohne viel Balast und ohne Schnick-Schnack. Sinnvoll daher für Punkt-zu-Punkt Verbindungen, aber nicht für Netzwerke.
RadioHead Hier die Bibliothek für sehr viele verschiedene Funkmodule. Hiermit können auch (Mesh-)Netzwerke aufgebaut werden und das IP-Protokoll über Funk abgewickelt werden. LoRaWAN fürs TTN wird allerdings hiermit nicht unterstützt.

Hardware

RFM95	Arduino
VCC	3.3V
GND	GND
SCK	SCK
MISO	MISO
MOSI	MOSI
NSS	10
NRESET	9
DIO0	2
DIO2	3 (LoRaWan)

Quellen

Decoding the LoRa PHY - Dissecting a Modern Wireless Network for the Internet of Things
Ein Vortrag vom 33c3 der den physikalischen Layer von LoRa näher beleuchtet.

LoRaWAN

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Basierend auf der LoRa Modulation wird hier ein Netzwerk aufgebaut, dass wegen der hohen Reichweite mit relativ wenig Gateways recht große Flächen abdecken kann.

Reichweitenrekord von 702 Km.

Was ist das The Things Network (TTN)

Das The Things Network biete basierend auf der LoRa Technologie ein Community betriebenes Wide Area Network. Im Empfangsbereich eines Gateways kann man so mit einer LoRa-Node gebührenfrei Daten ins Internet funken, allerdings nur einige Bytes jede Minute. Wenn noch kein Gateway im Empfangsbereich ist, kann man das Netzwerk selbst um eigene Gateways erweitern.

Gateway Infos

```
sudo tcpdump -AUq port 1700
```
zeigt Verkehr mit TTN an
Mehr über Antennen: https://www.thethingsnetwork.org/forum/t/the-big-and-small-antenna-topic-part-1/7880

Applikation einrichten

Unter "Applications" mit "add application" eine neue Anwendung erstellen.
Danach die Application auswählen. Oben rechts den Reiter "Devices" anwählen und "register device" drücken z.B. "pondtempsensornode" als id eingeben.
Unter "Device Overview" die "Activation Method" von OTAA auf ABP stellen und "Frame counter checks" anhaken.

LoRaWAN Bibliotheken

Wichtig: Nicht die LoRaWAN Bibliothek aus dem Arduino Library Manager verwenden, sonder manuel diese hier installieren:

LMIC für Arduino von Matthijs Kooijman Am meisten beim TTN referenziert.

Kann auch interessant sein (ungetestet):

MCCI Catena Arduino-Lorawan

Nicht so wichtige Infos:

  // Enable data rate adaptation (only useful for nodes with fixed location)
  LMIC_setAdrMode(1);

  // Increase RX1 Windows by 1% in case of clock error on board (crystal shift)
  // This clearly increase son OTAA Join request to works first time even with SF7
  LMIC_setClockError(MAX_CLOCK_ERROR * 1 / 100);

Kurzer LMIC Code (ungetestet): [1]

Erweiterung um Packete zu empfangen

        case EV_TXCOMPLETE:
            Serial.print(F("EV_TXCOMPLETE: "));
            if (LMIC.txrxFlags & TXRX_ACK) {
              //rxcounter++;
              Serial.println(F("Received ack."));
            }
            if (LMIC.dataLen) {
              Serial.print(F("Received "));
              Serial.print(LMIC.dataLen);
              Serial.print(F(" bytes of payload: "));
              for(int d=0; d<LMIC.dataLen; d++) {
                Serial.print(*(uint8_t *)(LMIC.frame+LMIC.dataBeg+d), HEX);
                Serial.print(" ");
              }
              //rxcounter2 += LMIC.dataLen;
            }
            // Schedule next transmission
            Serial.print(F(" txChn1 "));
            Serial.print(LMIC.txChnl);
            Serial.print(F(", datarate "));
            Serial.println(LMIC.datarate);            
            os_setTimedCallback(&sendjob, os_getTime()+sec2osticks(TX_INTERVAL), do_send);
            break;

Konfiguration für bestimmte Hardware

ESP32

Der ESP32 hat eine sog. Schaltmatrix und man kann damit sämtliche wichtigen IO-Funktionen auf andere Pinne "umbiegen". Das Umbiegen gelingt unter Arduino meist indem beim XXX.begin() die Pinne als Parameter übergeben werden (wo normalerweise nix übergeben wird).

Um typische ESP32 + OLED + LoRA-Module richtig zu befeuern, muss man daher im Setup noch vor dem LMIC-Init eine Zeile hinzufügen, die die Pinne entsprechend für die SPI zuordnet - bei mir ging das mit folgender Zeile:

SPI.begin(5, 19, 27, 18);

Die Syntax ergibt sich dabei übrigens aus den Headern des ESP32 Arduino Moduls - hier mal einige Zeilen aus den Headern, aus denen hervorgeht, wie man Pinne umbelegen kann:

void begin(int8_t sck=-1, int8_t miso=-1, int8_t mosi=-1, int8_t ss=-1); // SPI.h
void begin(int sda=-1, int scl=-1, uint32_t frequency=100000); // Wire.h
void begin(unsigned long baud, uint32_t config=SERIAL_8N1, int8_t rxPin=-1, int8_t txPin=-1, bool invert=false); // Hardware-Serial

Folgendes Pinmapping wurde dann noch LMIC übergeben:

const lmic_pinmap lmic_pins = {
    .nss = 18,
    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
    .rst = 14,
    .dio = {26, 33, 32},
};

Damit war die Belegung für den LoRa-Chip wie folgt:

RFM95 Pin	ESP32 GPIO#
DIO2	32
DIO1	33
DIO0	26
MISO	19
MOSI	27
SCK	5
NSS	18
RESET	14

Achtung: GPIO5 (SCK) kollidiert manchmal mit I2C was für OLED Displays benutzt wird!

ESP8266

Hier hat der TTN Zugang mit folgender Konfiguration geklappt:

RFM95 Pin	ESP8266 GPIO#	ESP8266 D#
DIO1	4	D2
DIO0	5	D1
MISO	12	D6
MOSI	13	D7
SCK	14	D5
NSS	15	D8
RESET	16	D0

const lmic_pinmap lmic_pins = {
    .nss = D8,
    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
    .rst = D0,
    .dio = {D1, D2, LMIC_UNUSED_PIN},
};

Lora32u4

Dieses Board gibts von BSFrance und auch als feather32u4 von Adafruit. Wenn man mit PlatformIO das Board in Betrieb nehmen will braucht man folgendes Target in der platformio.ini (Port durch lokale Eintellung ersetzen):

[env:feather32u4]
platform = atmelavr
board = feather32u4
framework = arduino
upload_flags = -P$UPLOAD_PORT
upload_port = /dev/ttyACM3
monitor_port = /dev/ttyACM3
monitor_baud = 9600

Das Pinmapping für die LMIC Bücherei ist wie folgt:

const lmic_pinmap lmic_pins = {
    .nss = 8,
    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
    .rst = 4,
    .dio = {7, 6, LMIC_UNUSED_PIN},
};

Obacht, uffbasse:

Auf dem Board eine Brücke zwischen Pin 6 und DIO1 (IO-Pin 6 und der IO1 des LoRa-Moduls) setzen/löten!!1!einself

Wenn die fehlt, dann kann kein LoRaWAN-Paket erfolgreich übermittelt werden, weil ein Interrupt fehlt.

LoRaWAN

Aktuell: Workshop zu LoRa und LoRaWAN

Agenda Teil 1

Vorläufige Agenda-Ideen Teil 2: (Termin steht noch nicht fest)

LoRa

Was ist LoRa?

Wie nutze ich das?

Ai-Thinker Ra-01 oder Ra-02

Antenne

LoRa Bibliotheken

Hardware

Quellen

LoRaWAN

Was ist LoRaWAN?

Was ist das The Things Network (TTN)

Gateway Infos

Applikation einrichten

LoRaWAN Bibliotheken

Erweiterung um Packete zu empfangen

Konfiguration für bestimmte Hardware

ESP32

ESP8266

Lora32u4

Sonstige Bibliotheken

Hackerspace Ffm