Prototyping eines LoRa-Wireless-Überwachungssystems mit XinaBox Teil 1: Einführung

Schnelles Prototyping eines Langstreckenfunk-Sensorsystems mit der modularen Elektronikplattform.

XinaBox ist ein modulares Elektroniksystem, bei dem Prozessoren, Host-Schnittstellen, Sensoren, Stromversorgung, Kommunikation, Ausgabe und mehr integriert sind. Dank eines Standard-Formfaktors und kompakten „xBUS“-Busverbindern ist die Verbindung ohne Drähte, Löten oder Lochraster möglich.

In dieser Reihe von Beiträgen werfen wir einen Blick darauf, wie XinaBox für das Prototyping eines Funksensorsystems verwendet werden kann, das über bemerkenswert große Entfernungen und/oder in schwierigen Umgebungen betrieben werden kann.

Anwendungsfall

Unser hypothetischer Anwendungsfall ist die drahtlose Überwachung für Sicherheitsanwendungen, bei denen Systeme wie Bluetooth und Wi-Fi aufgrund ihrer relativ kurzen Reichweite nicht gut geeignet sind. Dies ist eine Lösung für den Einsatz in einer weitläufigen Umgebung, die Hunderte von Metern oder mehr sowie Hindernisse umfasst. Ein Beispiel hierfür wäre ein Fertigungsbetrieb oder die Containerverschiffung, wo auch immer wieder größere Entfernungen problematisch sein und die Signale durch Hindernisse stark abgeschwächt werden könnten.

Weite Entfernungen

LoRa ist eine proprietäre Modulation für die digitale Funkkommunikation, die mit kostengünstigen Standardgeräten in der Regel eine Reichweite von bis zu 15 km erreichen kann, wobei gleichzeitig wenig Energie verbraucht und der Betrieb in nicht lizenzierten Bändern ermöglicht wird. Allerdings gibt es auch hier einen Nachteil, und zwar dass es sich um eine Schmalbandlösung handelt, die demnach nur zum Senden kleiner Datenmengen geeignet ist. Sie ist perfekt für Wireless-Sensoren, aber nicht geeignet für die Übertragung von Dateien, das Surfen im Internet und das Streamen von Videos. Für unseren Fall ist das in Ordnung.

Die Kommunikation über eine Reichweite von mehreren Kilometern mit nur wenigen Milliwatt mag wie Magie erscheinen, wird aber durch die verwendete Chirp Spread Spectrum-Modulation und so genannte „Codierungsgewinne“ ermöglicht, die die Empfängerempfindlichkeit steigern und das Abrufen von Signalen unterhalb des Grundrauschens erlauben. Kurz gesagt ist mit LoRa die Zeit für die drahtlose Übertragung von Nutzdaten einer gewissen Größe länger als bei Verwendung eines klassischeren Modulationstyps wie FSK oder ASK/OOK. Bei kleineren Nutzdatenvolumen ist dies jedoch in der Regel kein Problem.

Eine ausführlichere Beschreibung der LoRa-Modulation und einen Vergleich mit anderen Typen finden Sie in Teil 3 der Beitragsserie von Bill Marshall zum Thema HF-Kommunikation und Internet der Dinge.

Kein WAN

Ein häufiger Anlass für Verwirrung ist die Beziehung zwischen LoRa und LoRaWAN. Die Unterscheidung ist sehr einfach. Während LoRa einfach einen Kanal oder eine Leitung für Informationen bereitstellt, baut LoRaWAN darauf auf, um enorm skalierbare Netzwerke mit Adressierung und einem umfassenden Standard für Gerätebereitstellung, verschiedene Serviceklassen und Interoperabilität usw. zu ermöglichen.

Ein wesentlich einfacheres System wird anstelle des hier gezeigten LoRaWAN-MAC-Layers verwendet.

Auch hier gibt es wieder einen Nachteil. LoRaWAN ist zwar fantastisch, wenn Sie ein nationales oder internationales Netzwerk bereitstellen möchten, ist aber mit einem gewissen Maß an Komplexität, der Notwendigkeit von Servern und zudem verschiedenen Einschränkungen verbunden. Mit unserer Sicherheitsanwendung sind die Anforderungen sehr einfach und wir wollen möglichst viel Komplexität vermeiden und die Abhängigkeit von externen Services beseitigen. Daher verwenden wir ein sehr einfaches Peer-to-Peer-System – und nicht LoRaWAN.

Weitere Informationen zu LoRaWAN finden Sie im Beitrag A Closer Look at LoRaWAN and The Things Network (Genauere Betrachtung von LoRaWAN und des Netzwerks der Dinge).

Zahlreiche Optionen

Mit XinaBox gibt es zahlreiche Hardwareoptionen und oben ist nur eine kleine Auswahl der verfügbaren xChips aufgeführt, die einen ATmega328P-Mikrocontroller-Kern  (174-3696) , eine Raspberry Pi-Schnittstelle  (174-3694) , GPS  (174-3740) , VOC/eCO2-Gassensoren  (174-3732)  und Sensoren für sichtbares/UV-Licht  (174-3738)  sowie eine Stromversorgung mittels CR2032-Knopfzellenbatterie  (174-3721) bereitstellen.

Arduino-kompatibel

Das CR02 (174-3699)  ist ein xChip-Modul mit einem ATmega328P-Mikrocontroller, gepaart mit einem RFM95W-LoRa-Funkgerät mit Konfiguration auf 868 MHz. Zu den weiteren Varianten gehören CR01  (174-3698) und CR03  (174-3700) , die für 433 MHz und 915 MHz konfiguriert sind.

Es ist offensichtlich wichtig, dass Sie je nach Standort das richtige Modul und dementsprechend auch Band verwenden, z. B. 433 MHz oder 868 MHz in Europa und 915 MHz in den USA.

Diese Platinen sind kompatibel mit Arduino Pro und Arduino Pro Mini. Sie werden von der Arduino IDE unterstützt, ohne dass zusätzliche Platinensupportpakete installiert werden müssen. Die CPU-/Kernplatinen bieten jedoch keine integrierte USB-Schnittstelle, da diese nur für die Programmierung erforderlich ist und die physische Größe und Kosten steigern würde. Hier verwenden wir die IP01-Programmierschnittstelle  (174-3703) , die auf dem FT232R basiert und in Linux als /dev/ttyUSBn bezeichnet wird.

So geht‘s weiter

Im nächsten Beitrag in dieser Serie werfen wir einen genaueren Blick auf das einfache LoRa-System, das wir verwenden werden, bevor wir dann mit dem Senden und Empfangen von Daten fortfahren.

— Andrew Back