= Vortrag auch zu LoRa, LoRaWAN und TheThingsNetwork auf der Make Darmstadt 2019 =
Auf der [http://make-darmstadt.de/ Make Darmstadt] hat Lutz Lisseck vom Hackerspace FFM ein Vortrag zum Thema "Die lizenzfreie Übertragung kleiner Datenmengen per Funk" gehalten, die Folien zum Vortrag gibt es auch hier: [[Datei:Die_lizenzfreie_Übertragung_kleiner_Datenmengen.pdf]]
= Rückblick: 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 ==
[[Datei:IMG_20180225_184530744.jpg|400px]]
* 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: [https://vimeo.com/136731514 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? ==
Datei:RFM95_LoRa_Modul_868_MHz_und_Antenne.jpg|RFM95 LoRa Modul - hier für 868 MHz mit Antenne
Datei:Ra-01_Ai-Thinker_LoRa_Modul_443_MHz_und_Antennen.jpg|Ra-01 Ai-Thinker LoRa Modul - hier für 433 MHz mit Antennen in unterschiedlichen Bauformen
Datei:ESP32_mit_SSD1306_OLED_und_LoRa_und_Antenne.jpg|link=Heltec_Wifi_LoRa_32|ESP32 mit OLED und LoRa und Antenne für <strike>868 MHz</strike> 433 MHz (hat ein SX1278)Datei:LoRa TestBoards.jpg|link=MikroEckeBauteile|Zwei Testboards aus unserem Workshop sind in der [[MikroEcke]] zu finden
</gallery>
=== Heltec Wifi LoRa 32 Ai- ESP32 mit OLED und LoRa Thinker Ra-01 oder Ra-02 ======= Arduino ====Um dieses sehr interessante Modul via Arduino nutzen zu können, reichte bei mir die [https://github.com/espressif/arduinoDer Unterschied zwischen Ra-esp32 Standard01 und Ra-ESP3202 ist lediglich der, dass der Ra-Arduino Bibliothek], 01 die man wie dort beschrieben installiert. Aus Antenne an einem der recht großen Liste der Arduino Boards konnte ich gleich "Heltec_WIFI_LoRa_32" wählen Pads herausgeführt hat (und damit das Modul programmieren. Es gibt auch ein [http://www.heltec.cn/download/WIFI_LoRa_32_Diagram.pdf Dokument mit dem Heltec ESP32 Pinout]meist eine Federantenne dabei liegt), während beim Ra-02 eine Buchse für einen Antennenstecker dran ist (IPEX).
==Antenne == Display ====Verbaut ist ein OLED Display vom Typ SSD1306, es ist ein 128x64 Monochrom Display. Es ist NICHT an den Standard-I2C-Leitungen angeschlossen und braucht ein Reset-Signal. Bei manchen Bibliotheken sind daher kleine Modifikationen nötig, um das Display zu benutzen.
'''Anschlussbelegung'''Antennen sind für eine bestimmte Frequenz optimiert. In Europa wird das ISM-Band mit 868 Mhz verwendet.<br>* Pin 4 Die Wellenlänge berechnet sich nach folgender Formel: [[Datei:Wavelength.PNG]]<br>f = SDA frequency in hertz (ist nicht der Standard-I2C-Port vom ESP32Hz)<br>* Pin 15 λ = SCL wavelength in meters (ist nicht der Standard-I2C-Port vom ESP32m)<br>* Pin 16 c = RST speed of light (299.792.458 m/s)<br><br>[[Datei:Wavelength_of_868.PNG]]<br>Die Antenne muss bei Start kurz auf Lowalso 34.5 cm lang sein oder ein 1/2λ = 17.25, dann auf High gesetzt werden)1/4λ = 8.63, 1/8λ = 4.31, ...
== LoRa Bibliotheken ==
Hier gibt es folgende Bibliotheken:
* [https://github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa 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.
* [http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/ 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.
In Verbindung mit dem ESP32 gibt es hierzu mehrere '''Bibliotheken''' um es zu nutzen:* '''[https://github.com/olikraus/u8g2 U8x8 und U8g2]''' - Nur für Monochrome Displays, optimiert auf geringen Ressourcenverbrauch** U8x8: Minimalistische Version ohne Display-Puffer im uC, nur Textausgabe mit einem 8x8 Monospace Font*** Der folgende Konstruktor funktioniert bei mir: <pre>U8X8_SSD1306_128X64_NONAME_SW_I2C u8x8(/* clock=*/ 15, /* data=*/ 4, /* resetHardware =*/ 16);</pre>** U8g2: Erweiterte Version, enthält Fonts in vielen Größen, auch besonders kleine Fonts.*** Der folgende Konstruktor funktioniert bei mir: <pre>U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_SW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* clock=*/ 15, /* data=*/ 4, /* reset=*/ 16);</pre>
* '''[https{| class="wikitable" style="text-align://github.com/adafruit/Adafruit_SSD1306 Adafruit SSD1306]''' hat viele Funktionen und wird zusammen mit Adafruit_GFX auch für farbige Displays benutzt.center"** Wichtig: Ich musste die Library auf der Platte patchen !RFM95!Arduino|- konkret musste ich in Adafruit_SSD1306.cpp die Zeile auskommentieren, wo nochmal Wire|VCC|3.begin(); (Zeile 206) aufgerufen wurde. Um dann das Beispielprogram 'ssd1306_128x64_i2c' nutzen zu können, hab ich noch mit <pre>#define OLED_RESET 16</pre> die Display3V|-Reset|GND|GND|-Leitung angepasst und die Zeile mit dem display.begin|SCK|SCK|-|MISO|MISO|-|MOSI|MOSI|-|NSS|10|-|NRESET|9|-|DIO0|2|-|DIO2|3 (...LoRaWan) wie folgt erweitert: <pre>Wire.begin(4,15); display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3c);</pre>.|}
* '''== Quellen ==[https://
githubmedia.
comccc.de/
acroboticv/
Ai_Ardulib_SSD1306 Ai_Ardulib_SSD130633c3-7945-decoding_the_lora_phy Decoding the LoRa PHY - Dissecting a Modern Wireless Network for the Internet of Things]
''' Grundtextfunktionen<br>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,
braucht kein Displaydass wegen der hohen Reichweite mit relativ wenig Gateways recht große Flächen abdecken kann. [https://hackaday.com/2017/09/11/the-
Updatethings-
Befehlnetwork-sets-702-km-distance-record-for-lorawan/ Reichweitenrekord von 702 Km.
] == Was ist das [https://www.thethingsnetwork.org/ The Things Network] (TTN) ==Das [https://www.thethingsnetwork.org/ 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. [[Datei:LoRaGoPort_aufRPi.jpg|600px|LoRaWAN Gateway mit LoRaGo Port auf Raspberry Pi]] LoRaGo PORT einrichten für TTN: http://sandboxelectronics.com/?p=2696#Extra_Using_the_onboard_GPS_data_as_gateway_location === Gateway Infos ===*
<pre>sudo tcpdump -AUq port 1700</pre> zeigt Verkehr mit TTN an*
Hier muss in 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.<br>Danach die Application auswählen. Oben rechts den
Beispielen Reiter "Devices" anwählen und "register device" drücken z.B. "pondtempsensornode" als id eingeben.<br>Unter "Device Overview" die
Zeile wo sonst nur Wire"Activation Method" von OTAA auf ABP stellen und "Frame counter checks" anhaken.
begin == LoRaWAN Bibliotheken ==Wichtig: '''Nicht''' die LoRaWAN Bibliothek aus dem Arduino Library Manager verwenden, sonder manuel diese hier installieren: * [https://github.com/matthijskooijman/arduino-lmic LMIC für Arduino von Matthijs Kooijman] Am meisten beim TTN referenziert. Kann auch interessant sein (
ungetestet)
; steht um folgendes erweitert werden:* [https://github.com/mcci-catena/arduino-lorawan MCCI Catena Arduino-Lorawan] Nicht so wichtige Infos: <pre>
pinMode(16,OUTPUT); digitalWrite// Enable data rate adaptation (
16, LOWonly useful for nodes with fixed location)
; // set GPIO16 low to reset OLED delayLMIC_setAdrMode(
501);
digitalWrite// Increase RX1 Windows by 1% in case of clock error on board (
16, HIGHcrystal shift)
; //
while OLED is running, must set GPIO16 This clearly increase son OTAA Join request to
high works first time even with SF7 Wire.beginLMIC_setClockError(
4,15MAX_CLOCK_ERROR * 1 / 100);
</pre>
Kurzer LMIC Code (ungetestet): [https://github.com/SensorsIot/LoRa/blob/master/Nodes/Dragino/HelloWorld/HelloWorld.ino]
=== Erweiterung um Packete zu empfangen ===
<pre>
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;
</pre>
==Konfiguration für bestimmte Hardware == LoRa Radio ===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:<pre>SPI.begin(5, 19, 27, 18);</pre> 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:<pre>void begin(int8_t sck= LoRaWAN -1, int8_t miso=-1, int8_t mosi=-1, int8_t ss=-1); // SPI.hvoid begin(int sda=-1, int scl= Was ist LoRaWAN? -1, uint32_t frequency=100000); // Wire.hvoid begin(unsigned long baud, uint32_t config=SERIAL_8N1, int8_t rxPin=-1, int8_t txPin=-1, bool invert=false); // Hardware-SerialLoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network</pre> Folgendes Pinmapping wurde dann noch LMIC übergeben:<pre>const lmic_pinmap lmic_pins = { . Basierend auf der nss = 18, .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN, .rst = 14, .dio = {26, 33, 32},};</pre> Damit war die Belegung für den LoRa Modulation -Chip wie folgt:{| class="wikitable" style="text-align:center"! 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 hier ein Netzwerk aufgebaut, dass wegen ! === ESP8266 ===Hier hat der hohen Reichweite TTN Zugang mit relativ wenig Gateways recht große Flächen abdecken folgender Konfiguration geklappt: {| class="wikitable" style="text-align:center"! 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|} <pre>const lmic_pinmap lmic_pins = { .nss = D8, .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN, .rst = D0, .dio = {D1, D2, LMIC_UNUSED_PIN},};</pre> === 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):<pre>[env:feather32u4]platform = atmelavrboard = feather32u4framework = arduinoupload_flags = -P$UPLOAD_PORTupload_port = /dev/ttyACM3monitor_port = /dev/ttyACM3monitor_baud = 9600</pre> Das Pinmapping für die LMIC Bücherei ist wie folgt:<pre>const lmic_pinmap lmic_pins = { .nss = 8, .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN, .rst = 4, .dio = {7, 6, LMIC_UNUSED_PIN},};</pre> '''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 kannkein LoRaWAN-Paket erfolgreich übermittelt werden, weil ein Interrupt fehlt. == Sonstige Bibliotheken ==* [https://github.com/rocketscream/Low-Power Low-Power Library für Arduino]* [https://lcd-web.nl/ttngenerator/ TTN Generator]