Archiv der Kategorie: Arduino

APRS über LoRa mit Dragino LoRa/GPS shield für 70cm-Band

In den letzten Monaten habe ich mich sehr viel mit LoRa und LoRaWAN beschäftigt. Bei den zahlreichen Treffen hat mir die Amateurfunk-Community erzählt, dass LoRa auch ein guter Ersatz für das FSK/AFSK basierte APRS sein könnte und an einer Implementierung arbeiten.

Das halte ich für eine tolle Idee! APRS hat mich – wie ihr an anderen Beiträgen meines Blogs erkennen könnt – schon immer sehr interessiert!

Es handelt sich also nur um den Ersatz der Modulation durch LoRa und nicht um eine vollwertige LoRaWAN-Implementierung, die ja auch das ganze Umfeld der Datenverarbeitung mit einschließen würde. Daher ist man auch hinsichtlich QRG (Frequenz) flexibel. Die Hardware für LoRa ist ja für 868 MHz, 433 MHz und 912 MHz erhältlich. Der Bereich um 912 MHz ist in der EU nicht frei nutzbar. Im „kommerziellen“ Einsatz (LoRaWAN) ist 868 MHz die Wahl für Europa.

Funkamateure sind sowieso im Bereich um 433 MHz „zu Hause“, das ja für viele Anwendungen als 70cm-Band bekannt ist und dort seitens Amateurfunk als Primärdienst genutzt werden kann.

Damit ist für mich die Trennung der Anwendungen und Frequenzen auch schlüssig umsetzbar:

  • LoRaWAN nutzen wir (kommerziell) auf 868 MHz und
  • LoRa für APRS im 430-439 MHz Bereich als Amateurfunkdienst!

APRS Tracker

Das Ziel ist also, einen APRS-Tracker zB. für’s Auto mit LoRa-Modulation im70cm-Band zu schaffen. Die Daten sollen dann wie andere APRS-Anwendungen über zB. aprs.fi zur Verfügung stehen.

Auf der Webseite von DJ7OO (http://www.kh-gps.de/lora.htm) wird sehr viel zu dem Thema erklärt. Die Software basiert auf Codeteilen, die von Stuart Robinson (ua. auf dieser Website https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?2454546-Arduino-LoRa-Long-Range-Lost-Model-Tracker) veröffentlicht wurden. Bitte beachtet die Lizenz, die hier kommerzielle Nutzung auch von Codeteilen ohne ausdrücklicher Zustimmung von Stuart untersagt.

Die meisten OMs haben ihre Sender auf Basis von Arduino Pro Mini erstellt. Dazu benötigt man noch ein paar Kleinteile, ua. ein GPS-Modul und den RFM98W LoRa-Chip.  Ich gestehe, das Löten vermeide ich, wenn es leicht möglich ist – daher habe ich nach einer andere Hardware-Lösung gesucht.

ohne löten: Dragino LoRa/GPS shield

Mit den LoRa/GPS-Shields von Dragino habe ich ja bereits in anderen Projekten gute Erfolge erzielt. Diese Shields sind natürlich auch für 433 MHz erhältlich. Ich kaufe übrigens meistens über Tindie. Es funktioniert zuverlässig, die Lieferung dauert ca. 3 Wochen:
https://www.tindie.com/products/edwin/loragps-shield-for-arduino/

Das Tolle ist, dass man dazu nur noch einen Arduino Uno benötigt, zusammensteckt und für viele Anwendungen eine fertige Lösung hat!

Als Basis für meinen Code habe ich die Version von Sascha (iot4pi.com) und Karl OE1KEB gewählt, die für den Arduino Pro Mini geschrieben ist:
https://github.com/IoT4pi/LoRa-APRS-Sender
(Den Link zu meinem Fork für’s Dragino LoRa/GPS findet ihr  unten.)

Die Software benutzt SoftSerial, um auf die GPS-Daten zuzugreifen. Dazu benötigt man zwei Jumper Wire Kabel (M-F). Am Dragino LoRa/GPS Shield werden die Jumper bei TX_GPS und RX_GPS entfernt und mit den digitalen Eingängen 3 und 4 verbunden werden.

Bitte beachtet, dass nur lizenzierte Funkamateure diesen Funkdienst benutzen dürfen, es wird auch ein Funkrufzeichen (Call) benötigt, das eingestellt werden muss!

Die von mir für das Dragino LoRa/GPS Shield abgeänderte Software findet ihr hier:

https://github.com/schulti/LoRa-APRS-Sender

Bitte ändert euren Call und ggf. die SSID („-12“)  in dieser Variable:

String Tcall="OE1SCS-12"; //your Call Sign

Die Software muss nun nur noch auf den Arduino raufgeladen werden und schon kann man testen. Der erste GPS-Fix dauert leider ein bißerl – da muss man etwas Geduld haben. An einer blinkenden LED sieht man, dass ein GPS-Fix vorhanden ist.

Ein Blick auf die Webseite https://aprs.fi hat den Tracker sofort gezeigt:

Auch die Rohdaten sehen vernünftig aus. Meine Pakete wurden von OE1XBR-10 empfangen:

Nun bin ich also zusätzlich zur 2m APRS Antenne über 70cm LoRa APRS unterwegs. Zusätzlich habe ich einen GPS Mapper für LoRaWAN (868 MHz):

Für’s Autodach habe ich eine Magnetfußantenne für 433 MHz und einen aktiven GPS-Empfänger bestellt. Das Shield hat eine GPS-Antenne eingebaut. Es schaltet von selbst um, sobald es erkennt, dass eine externe Antenne angesteckt wird.

Damit lassen sich ganz einfach Vergleichsfahrten zwischen den Technologien durchführen, zB: unten links LoRa-APRS-70cm mit APRS-2m im Vergleich (Argent Data OpenTracker+):

Einkaufsliste für den LoRa/GPS APRS Tracker

Die Bauteile sind um gesamt € 42,- erhältlich, um weitere €  15,- gibt’s die Antennen für’s Autodach dazu:

Optional:

LoRa Reichweite mit TTNmapper abschätzen

Nachdem wir jetzt auch einen Gateway fertig haben (ich werde in einem eigenen Beitrag berichten) und mehrere Sensoren funktionieren, wäre es doch mal interessant, die Reichweite der Signale kennenzulernen.

Grundsätzlich senden meine Sensoren bisher nur Messdaten, im Moment aber noch eher statische kurze Textmitteilungen. Was mir fehlt sind die GPS-Positionsdaten, damit ich feststellen kann, von welcher Position mit welcher Signalstärke Pakete empfangen wurden (RSSI).

Nachtrag Juli 2017: wir haben mit dem Aufbau einer Community bei The Things Network in Wien begonnen. Das Ziel ist die Schaffung eines freien und offenen Netzes für IoT. Nachdem ich mehrfach auf meinen Blog hin angeschrieben wurde, es den Personen aber nicht bewusst war, dass sich hier was tut, möchte ich auf folgende Links verweisen: folgt uns auf Twitter (@TTN_Vienna), für Updates und Infos zu den nächsten Treffen oder besucht die Wiener Community Seite!

Bevor ich mich damit beschäftige, mit dem LoRa/GPS Shield auch die GPS-Daten mitzusenden, möchte ich mit ttnmapper.org mal die GPS-Daten dazuschummeln. TTNmapper hat einen super Ansatz dafür gewählt: in der Annahme, dass ich mein Smartphone (Android) und meinen Sensor bei mir habe (mit mir herumtrage oder in meinem Fall beides mit dem selben Auto unterwegs ist), ergänzt TTNmapper mit einer eigenen App einfach die GPS-Position vom Smartphone. Clever!

Funktionsweise

Klarerweise muss ich auf meinem Android Smartphone die App aus dem Play Store installieren. Danach melde ich mich in der App mit meinen Login-Daten bei The Things Network an und wähle aus meinen Applikationen und Devices den Sensor aus, mit dem ich aktuell messen möchte. (Falls jemand seine Logindaten nicht bekanntgeben möchte, kann man auch direkt die Zugangsdaten für den MQTT-Zugang des Device eingeben, das ist natürlich viel umständlicher, aber man muss die Zugangsdaten nicht eingeben).

Ab sofort höre ich jedesmal, wenn ein Paket angekommen ist (die App erfährt das über MQTT wirklich sofort) einen Ton.

Also habe ich eine kleine Magnetfußantenne für 868 MHz neben meine APRS-Antenne auf’s Auto montiert und die App bei meiner heutigen Ausfahrt mitlaufen lassen. Die Stromversorgung über 12V Anschluss auf einen Verteiler mit USB-Hub war zum Glück für Amateurfunkzwecke schon vorhanden und musste ich nur mehr dazustecken.

Es hat super funktioniert! Beim Starten des Motors ist sofort das erste Klingeln am Smartphone hörbar gewesen.

Nach einer kurzen Ausfahrt hat sich folgendes Bild ergeben:

An die Farbgebung muss man sich noch gewöhnen, zum Glück ist eine Legende dabei. Die besten Signalstärken sind rot, die schlechtesten grün und türkis/blau.

Erfreulicher Weise hat mich auch der Gateway von Peter im 2. Bezirk ein paar Mal empfangen.

Zum Vergleich: links die heutige Route über APRS protokolliert und rechts die Punkte, an denen LoRa-Pakete angekommen sind:

LoRa TTN Gateway Pakete mit tcpdump mitprotokollieren

Über die Schnittstellen bei TTN (The Things Network) kann man eine Menge Daten auslesen – natürlich die Inhalte (Payload) der Applikationen und einige technische Werte.

Konkret interessiert mich zB. der RSSI (Eingangssignalstärke) der vom LoRa Gateway empfangenen Pakete. Im Webinterface kann man in der TTN Console im Bereich Gateway mitschauen und erhält hübsche JSON-Objekte, in denen alles enthalten ist. Ich habe aber keine Schnittstelle gefunden, mit der ich es auslesen kann – weder live noch nachträglich (als gespeicherte Werte).

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Nachdem ich mir das Protokoll schon angeschaut habe, war mir klar, dass es die Daten unverschlüsselt überträgt. Es nutzt übrigens UDP für die Kommunikation zu den TTN Network Servern auf Port 1700.

Also habe ich meiner /etc/rc.local (vor dem „exit 0“!) folgenden Eintrag hinzugefügt:

/usr/sbin/tcpdump -Aq port 1700 >> /var/log/ttn-tcpdump-gateway.asc &

Damit wird nach jedem Reboot in die Datei /var/log/ttn-tcpdump-gateway.asc per tcpdump in ASCII die Inhalte aller Verbindungen zu Port 1700 gespeichert:

Mich interessieren eigentlich nur Übertragungen und Statusmeldungen. In beiden kommt „rx“ vor:

cat /var/log/ttn-tcpdump-gateway.asc | grep rx

Die Meldungen beginnen immer mit 41 Zeichen (Byte) Header, die kann man wegschneiden:

cat /var/log/ttn-tcpdump-gateway.asc | grep rx | cut -c 41-

Wenn nach „rxpk“, der Meldung für ein empfangenes Paket suche, erhalte ich nur Meldungen, die der Gateway über LoRa empfangen hat:

cat /var/log/ttn-tcpdump-gateway.asc | grep rxpk | cut -c 41-

Hier hat man nun je Zeile ein JSON-Objekt mit sämtlichen Details zur Kommunikation:

{"rxpk":[{"tmst":4242060820,"time":"2017-04-15T14:55:05.977557Z","chan":1,"rfch":1,"freq":868.300000,"stat":1,"modu":"LORA","datr":"SF9BW125","codr":"4/5","lsnr":-10.5,"rssi":-115,"size":24,"data":"QK4XASaAvxEBoUDxzpcOkO+F6T1TVsvg"}]}

wird zB. mit http://jsonviewer.stack.hu/ zu

{
  "rxpk": [
    {
      "tmst": 4242060820,
      "time": "2017-04-15T14:55:05.977557Z",
      "chan": 1,
      "rfch": 1,
      "freq": 868.300000,
      "stat": 1,
      "modu": "LORA",
      "datr": "SF9BW125",
      "codr": "4/5",
      "lsnr": -10.5,
      "rssi": -115,
      "size": 24,
      "data": "QK4XASaAvxEBoUDxzpcOkO+F6T1TVsvg"
    }
  ]
}

LoRa Sensor mittels Arduino und LoRa Shield

Über einen Freund bin ich vor ein paar Wochen auf das Thema LoRa bzw. LoRaWAN aufmerksam geworden.

Vor allem seit ich The Things Network (https://www.thethingsnetwork.org) kenne und somit über die Community eine Möglichkeit besteht, die Technologie sinnvoll zu nutzen, bin ich interessiert mich damit mehr zu beschäftigen.

Nachtrag Juli 2017: wir haben mit dem Aufbau einer Community bei The Things Network in Wien begonnen. Das Ziel ist die Schaffung eines freien und offenen Netzes für IoT. Nachdem ich mehrfach auf meinen Blog hin angeschrieben wurde, es den Personen aber nicht bewusst war, dass sich hier was tut, möchte ich auf folgende Links verweisen: folgt uns auf Twitter (@TTN_Vienna), für Updates und Infos zu den nächsten Treffen oder besucht die Wiener Community Seite!

Ein LoRa Sensor ist ein Endgerät, das über das LoRa-Protokoll in ein Netzwerk Informationen funkt. Empfangen werden die Pakete üblicherweise von einem Gateway. Bis zur Auswertung der Pakete sind noch Network Server und Application Server nötig, die in meinem Fall über TTN (The Things Network) bereitgestellt werden.

Da ich auch mit Freunden einen Gateway bauen möchte, brauchen wir natürlich einen LoRa Sensor, um unseren Gateway zu testen. Als günstige Variante habe ich Arduino + LoRa Shield für Arduino gefunden.

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Zutaten

Falls jemand entspannt an das Projekt herangeht und mit 5-6 Wochen Lieferzeit aus Shenzhen (China) kein Problem hat, gibt es das LoRa Shield auch kostengünstiger (€ 18,70 am 1.4.2017) über Tindie zu kaufen. Hier beachtet bitte, dass Shipping (+ € 6,12 nach Österreich) und ggf. Zoll dazukommen.

Bitte beachtet bei Bestellungen immer, dass ihr die 868 MHz-Variante auswählt! Nur diese darf in der EU betrieben werden bzw. wird hier funktionieren!

Von der Vorgehensweise halte ich mich an diese Anleitungen:

  1. ein tolles Youtube-Video, das genau den hier beschriebenen Aufbau erklärt: LoRa Node with Arduino and Dragino Shield connected to TTN LoRaWAN von Andreas Spiess
  2. Software (Arduino Sketch) „Hello World“ von https://github.com/SensorsIot/LoRa
  3. LMIC library von IBM, angepasst für Arduino: wird vom Arduino Sketch benötigt

Vielen Dank an die Kollegen von TTN Zürich, die diese Anleitungen und Programme zur Verfügung stellen!

Zusammenbau

Das LoRa Shield muss nun nur mehr auf den Arduino gesteckt werden. Die Antenne wird an den SMA-Anschluss geschraubt.

Konfiguration

Nun lädt man den Arduino Sketch („Hello World“, siehe Link oben) ins Arduino IDE und muss ein paar Werte anpassen. Dazu erstellt man eine „Application“ in der Console von TTN und legt ein Gerät („Device“) an. Eine Over-The-Air-Activation (OTAA) ist nicht möglich, daher muss man manuell ABP wählen und die Werte vom Webinterface abschreiben. Diese werden von TTN automatisch generiert.

  1. NWKSKEY: der Network Session Key muss im korrekten Format in die geschwungenden Klammern { } eingefügt werden.
  2. APPSKEY: ebenso der Application Session Key und zum Schluss die
  3. DEVADDR, also die Geräteadresse im korrekten Format.

TTN bietet im Webinterface übrigens die Werte bereits im richtigen Format an. Im Zweifelsfall muss man auf „< >“ klicken, dann werden die Werte in anderen Formaten dargestellt und können mit copy & paste übernommen werden. Das gewünschte Format ist „msb“.

Ansonsten musste ich keine weiteren Änderungen am Code durchführen.

Trotzdem habe ich den zu übertragenden Text von „HI“ auf „stefan test“ geändert: dazu habe ich die Payload in der Variable „message[]“ in Zeile 57 angepasst:

  // Payload to send (uplink)
  static uint8_t message[] = "stefan test";

Nun habe ich den Sketch kompiliert und auf den Arduino übertragen. Unmittelbar darauf hat er begonnen, alle 20 Sekunden kurz zu blinken, wodurch ich mich bestätigt gefühlt habe, dass es funktioniert und nun alle 20 Sekunden die Meldung „stefan test“ mittels LoRa übertragen wird.

Überprüfen am Gateway

Einen Gateway hatten wir parat und er hat sofort die Pakete empfangen. Über die „Traffic“ Funktion in der TTN Console kann man die ankommenden Pakete gleich sehen.

Man sieht hier mehrere Pakete, die im Abstand von ca. 25 Sekunden ankommen. Die Frequenz wechselt bei jedem Paket, weil mehrere Kanäle genutzt werden: 868,1 – 868,5 – 868,3 usw.

Folgendes JSON Objekt mit allen Details erhält man aus der TTN Console beim Gateway Traffic:

{
  "gw_id": "eui-b827ebfffe6f377d",
  "payload": "QI4cASaAaAABhVJosx+GBwUwHBqp4DGG",
  "f_cnt": 104,
  "lora": {
    "spreading_factor": 9,
    "bandwidth": 125,
    "air_time": 205824000
  },
  "coding_rate": "4/5",
  "timestamp": "2017-03-29T05:57:06.352Z",
  "rssi": -25,
  "snr": 11.2,
  "dev_addr": "26011C8E",
  "frequency": 868100000
}

Es enthält sämtliche Details zur Übertragung. Ein paar Werte möchte ich kurz hervorheben:

  • gw_id: zeigt die ID des Gateways, der das Paket empfangen hat
  • payload: sind die übertragenen Daten in verschlüsselter Form
  • f_cnt: ist der Counter und gibt die Anzahl der Pakete wider
  • lora.spreading_factor: zeigt hier den Spreading Factor 9, der im Sketch eingestellt ist
  • rssi: zeigt die Signalstärke des empfangenen Pakets am Gateway an (hier: -25 dbm)
  • snr: das Signal/Rausch-Verhältnis
  • dev_addr: die Geräteadresse, die von TTN vergeben wurde und ich als DEVADDR im Sketch hinterlegt habe.
  • frequency gibt die Frequenz in Hertz an

Wir sehen, dass das Paket einwandfrei übertragen wurde und sogar sehr gut (-25 dbm) empfangen wurde. Bei diesem Test war der Abstand vom Sensor zum Gateway aber auch im Bereich von 5 Metern.

Optimierungen

Als Spreading Factor ist 9 eingestellt. Um die Reichweite zu erhöhen, kann man auch zB. SF12 einstellen. Das geht im Arduino Sketch auf Zeile 90:

  // Set data rate and transmit power for uplink (note: txpow seems to be ignored by the library)
  LMIC_setDrTxpow(DR_SF9, 14);

Falls man die Pakete weniger oft übertragen möchte (alle 20 Sekunden ist zum Testen super, aber dauerhaft verbraucht es zu viel Airtime), kann das in Zeile 39 anpassen:

// Schedule TX every this many seconds (might become longer due to duty
// cycle limitations).
const unsigned TX_INTERVAL = 20;