Einfache Realisierung einer Funkstrecke LoRa ohne WAN

LoRa-Funkstrecken aufbauen

Die lokalen kostenfreien (Sensor-)Funknetze verwenden meist die klassischen Nahfunkverfahren, die aber eine zu geringe Reichweite haben. Für dieses bekannte Problem kann LoRa eine kostengünstige, leicht umsetzbare Lösung bieten, ohne dass hierfür ein öffentlicher Betreiber notwendig wäre.

Einer der ersten Hardwarehersteller, der entsprechende ICs und Module für LoRa anbietet, ist die Firma Microchip [4]. Obwohl die LoRa-Technik maßgeblich von der Firma Semtech entwickelt und vorangetrieben wurde, bringt diese erst jetzt selbst Module und Evaluationkits (»SX1272«, »SX1276«) auf den Markt. Andere Hersteller setzen die Semtech-Module ebenfalls ein, beispielsweise Murata, die das Transceivermodul SX1276 mit einem ARM-Cortex M0+ zum eigenen LoRa-Funkmodul »CM-WXIZZABZ-78« kombinieren.
Mit dem Modul »RN2483« von Microchip sind in Abhängigkeit von der eingestellten Modulationsart Datenraten von 11 kbit/s bis 50 kbit/s über Strecken von mehr als 15 km (Freifeld) überbrückbar. Der Strombedarf wird im Sleepmodus mit ca. 10 µA und beim Senden mit ca. 40 mA spezifiziert. Das Modul unterstützt die LoRaWAN-1.0-Spezifikation, sodass sich hiermit ein entsprechendes Netzwerk aufbauen lässt. Mit zwei RN2483-Modulen, die jeweils über eine UART-Schnittstelle mit ASCII-Befehlen angesprochen werden, lässt sich recht einfach eine eigene Funkstrecke aufbauen, die mehrere Kilometer überbrücken kann. Das Modul verfügt außerdem über GPIO-Leitungen und einen integrierten A/D-Wandler, was den Aufbau von Sensorknoten erleichtert. Das Modul benötigt eine entsprechende Trägerplatine mit herausgeführten Kontakten für die GPIO- und UART-Anschlüsse, eine SMA-Buchse für die Antenne und einen Spannungsregler von typischerweise 3,3 V (Bild 2). Die zulässige Betriebsspannung reicht von 2,1 V bis 3,6 V.
Microchip selbst bietet das Developmentboard »PICtail« mit einem verlöteten RN2483-Modul an, das Status-LEDs und zwei SMA-Anschlüsse für zwei externe Antennen (868 MHz, 433 MHz) sowie einen USB-Anschluss bietet. Außerdem gibt es einen »Mote Development Node« mit OLED-Display und zwei Sensoren (Licht, Temperatur) sowie ein komplettes Development-Kit mit zwei Mote-Development-Nodes und einem Gatewayboard. Für die Steuerung der Onboard-Elektronik wird auf den Mirochip-Boards ein 8-bit-Mikrocontroller (»PIC18«) eingesetzt. Dieser wiederum wird über USB angesteuert. Auf all dies kann man aber auch verzichten und das RN2483-Modul direkt von seiner eigenen Applikation aus mit seinem bevorzugten Controller oder Board ansteuern, sofern dieses eine einfache serielle (UART-)Schnittstelle bietet.

Serial-Setup
und Funktionstest

Für einen ersten einfachen Funktionstest lässt sich ein Modul an einem PC oder an einem Notebook betreiben, was dementsprechend einen USB-zu-TTL-Adapter erfordert, der typischerweise von der Firma FTDI oder Delock stammt. Praktisch ist es, wenn der Adapter als Kabel mit einzelnen steckbaren Leitungen ausgeführt ist und eine davon 5 V (VCC) führt, um das Modul damit (über den 3,3-V-LDO-Festspannungsregler auf der Trägerplatine) zu versorgen, wie es beispielsweise beim Delock-Typ »83116« der Fall ist. Neben den Signalen TXD und RXD, die überkreuz (Nullmodemschaltung) mit dem Modul zu verbinden sind, sowie Masse und VCC, stellt das Adapterkabel auch noch CTS und RTS für die Steuerung der Datenübernahme zur Verfügung, wobei diese Funktion vom RN2483-Modul im Moment aber noch nicht unterstützt werden.

PC-seitig ist ein einfaches Terminalprogramm für die Kommunikation mit dem RN2483-Modul und für die Übertragung der ASCII-Befehle notwendig, beispielsweise »Tera Term« oder etwas ähnliches. Das Terminalprogramm kommuniziert mit dem seriellen USB-Port, der vom Treiber des USB-zu-TTL-Adapters im System integriert wird. Dabei sollten die Default-Werte für den USB-zu-TTL-Adapter und damit für das Modul, wie in Bild 3 gezeigt eingestellt werden. Terra Term unterstützt praktischerweise Makros [5], sodass automatisch bestimmte ASCII-Befehlssequenzen an das Modul gesendet werden können.
Werden zwei PCs mit jeweils einem Modul und einem USB-zu-TTL-Adapter plus Terminalsoftware, die einen Sender und einen Empfänger festlegt, ausgestattet, lässt sich somit schnell eine LoRa-Teststrecke realisieren. Selbstverständlich müssen die Übertragungs- und Modulparameter auf beiden Seiten identisch sein.