Test von IoT-Kits Sigfox in der Praxis – ein Kit von Radiocrafts

Von den LPWANs wie LoRa, NB-IoT oder Sigfox weist Sigfox momentan den höchsten Verbreitungsgrad mit drei Millionen Einheiten in 60 Ländern auf, sodass es interessant ist, wie es sich in der Praxis schlägt. Der erste Versuch wurde mit dem Demonstration Kit RC1682-SIG-DK von Radiocrafts unternommen.

Für die Konnektivität von IoT-Schaltungen, die nur relativ niedrige Datenraten benötigen, dafür aber weit größere Entfernungen als WLAN, Bluetooth oder Zigbee überbrücken müssen, empfehlen sich verschiedene LPWANs wie LoRa, NB-IoT oder Sigfox. Davon weist Sigfox momentan den höchsten Verbreitungsgrad mit drei Millionen Einheiten in 60 Ländern auf, sodass es interessant ist, wie es sich in der Praxis schlägt. Der erste Versuch wurde mit dem Demon-stration Kit RC1682-SIG-DK von Radiocrafts unternommen.

Systeme wie Bluetooth, WiFi und ZigBee haben sich für den Nahfunk etabliert und sind kostenfrei mit vielen Plattformen nutzbar. Für größere Distanzen kommen traditionell Mobilfunknetze zum Einsatz, die jedoch Nutzungsgebühren verursachen und deren Geräte relativ viel Strom aufnehmen.

Eigenschaften wie kilometerweite Funkstrecken in einem lizenzfreien Band bei guter Gebäudedurchdringung und mit niedrigem Energieverbrauch sind insbesondere für IoT-Applikationen wünschenswert, wobei meist keine hohen Datenraten notwendig sind, dafür jedoch die Möglichkeit, möglichst viele Geräte im Netz adressieren und deren Daten in eine Cloud transportieren zu können.

Eine treibende Kraft für derartige Netze sind insbesondere die Stromversorger, die damit das Smart-Metering, also das Auslesen von Stromzählern automatisieren, sowie die Einspeisung von (privatem) Strom steuern wollen.

Die bisher am weitesten fortgeschrittenen Implementierungen sind die LoRa-Funktechnik (Long Range [1]) und Sigfox, die bei optimalen Bedingungen Strecken von bis zu maximal 50 km überbrücken können (sollen). Beide Systeme arbeiten in Europa im 868-MHz-Band, aber mit unterschiedlicher Technik und mit verschiedenen Geschäftsmodellen.

Während LoRa eine Technologie auch zum Aufbau eigener Netze bietet und verschiedene Firmen die passenden Funkchips hierfür vertreiben, ist bei Sigfox ein Netzwerk mit entsprechenden Basisstationen und notwendigen Servern zwingend. Verbindungsgebühren fallen auch hier keine an, denn diese werden mit der notwendigen Lizenz abgedeckt, die man in den meisten Fällen mit dem Erwerb eines entsprechenden Entwicklungskits erhält. Die Server- bzw. Cloud-Nutzung ist prinzipiell jedoch kostenpflichtig.

LoRa-Chips können bis zu 255 Bytes pro Nachricht übertragen, bei Sigfox sind es nur 12 Bytes, wobei maximal 140 Nachrichten pro Tag möglich sind. Sigfox ist mit dem Ausbau eines eigenen Netzwerkes am weitesten fortgeschritten und erfordert keine speziellen Gateways, da das Sigfox-Netz zumindest in Ballungsgebieten verfügbar sein soll. Wie es mit der Netzabdeckung theo-retisch aussieht, lässt sich unter [2] in Erfahrung bringen. Die Anzeige dieser Karte lässt sich für verschiedene Sigfox-Sendeklassen einstellen, die regional für unterschiedliche Regionen (RCZ1: Europa, RCZ2: USA, RZ3: Japan, Korea, RCZ4: Australien, Neuseeland, Südamerika) definiert sind. Für Europa gelten vier Klassen von Class 3u (related power <0 dBm) bis zur Class 0u mit maximal +14 dBm.

Diese Coverage-Karte ist eine Simulation im Außenbereich bei der man von einer Höhe von 1 m über dem freien Boden ausgeht, wobei Gebäude und Umwelteinflüsse nicht berücksichtigt werden. Laut dem Bild 2 gibt es im Süden von Hamburg demnach eine ganze Reihe von Sigfox-Basisstationen (Legende: blau = eine Basestation, grün = zwei, rot = drei oder mehr Basestationen). Tatsächlich befindet sich im gezeigten Ausschnitt aber nicht eine einzige. Sigfox ist allein für diese Basisstationen zuständig und im Raum Hamburg soll es insgesamt vier davon geben; wo sie genau lokalisiert sind, ist Betriebsgeheimnis und wird nicht preisgegeben.

Die farblichen Flächen in der gezeigten Coverrage-Karte ergeben sich laut Sigfox aus der Simulation (mit Reflexion, Brechung, Streuung usw.) unter Berücksichtigung von bestimmten geografischen und landschaftlichen Gegebenheiten, was dann diese (vermeintlichen) Empfangsinseln ergibt, die natürlich nicht wirklich existieren. Demnach sind die Informationen aus der Sigfox-Coverage-Karte mit äußerster Vorsicht zu genießen, wenn nicht sogar sinnlos. Laut Sigfox sollen während des weiteren Netzausbaus zukünftig aber auch Feldtests der Empfangsgüte durchgeführt werden.

Start mit Demonstration Kit

Voraussetzungen für Sigfox-Verbindungen ist eine entsprechende Hardware; für den Einstieg typischerweise in Form eines Demo- oder Entwicklungskits, sowie ein Account bei Sigfox. Das Demonstration Kit RC1682-SIG-DK (Bild 2) der norwegischen Firma Radiocrafts [3] liefert in einem Plastikköfferchen zwei Platinen mit den passenden Antennen und USB-Kabeln für den PC-Anschluss. Neben dem aufgelöteten Radiocrafts Modul, das die eigentliche Elektronik mit der Sigfox-Funktechnik enthält, sind auf der Platine zahlreiche Jumper, fünf Taster und drei Leuchtdioden zu finden.

Für die Dokumentationen und die Software wird im beiliegenden Zettel auf die Radiocrafts-Internetseite verwiesen, wo man sich die benötigten Daten (User Manual, Quick Start Guide, Data Sheet, RCTools PC Software, Application Notes) selbst zusammensuchen muss, was sich als sehr umständlich erweist. Auch dieser Hersteller schafft es offensichtlich nicht, ein explizit für das Kit vorgesehenes Software-Paket (zumindest mit den für den Start notwendigen Daten) zu schnüren, um dem Entwickler somit einen schnellen Einstieg zu ermöglichen. Außerdem wird für den Bezug einiger Dokumente (z. B. SIG_User_Manual) ein Account bei Radiocrafts benötigt, was einen zusätzlichen und unnötigen Aufwand sowie Wartezeit erfordert.

Die Sigfox-Module von Radiocrafts gibt es in vier verschiedenen Ausführungen: RC1682-SIG mit 868 MHz und das Modul RC1682-SSM, das demgegenüber zusätzliche Interfaces (analog, I²C, GPIO, SPI) – etwa für den Anschluss – von Sensoren besitzt, sodass es das Interessantere ist. Die Versionen RC1692 sind bei ansonsten gleicher Funktion für den Frequenzbereich 902/968 MHz (USA) vorgesehen.

Für die Kommunikation mit einem Host (PC, Embedded System) ist das UART Host Interface zuständig, wofür ein entsprechender ASCII-Kommandosatz (Read, Write, Configuration, Power Management und andere) im Modul implementiert ist, der ebenfalls für die Kommunikation mit den Schnittstellen und möglicherweise angeschlossenen Sensoren gilt. Interessanterweise werden bekannte Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren wie der SHT35 von Sensirion und der HDC2010 von Texas Instruments oder auch ein Beschleunigungssensor von STMicroelectronics (LIS3DE) von der im Modul integrierten Firmware direkt unterstützt.

Registrierung

Auf jeder Platine ist ein Aufkleber mit einer individuellen ID und einer PAC-Nummer zu finden, die für die Registrierung bei Sigfox benötigt werden. Diese Daten lassen sich prinzipiell auch per COM-Port-Verbindung über den USB auch aus dem Configuration Memory eines Moduls auslesen. Für die Registrierung des Systems im Sigfox-Netz wird ein Account für das Sigfox-Backend-System benötigt, der einem nach der Übermittlung von Name, Firma, ID und PAC an subscribe@sigfox.com spätestens nach 48 Stunden zur Verfügung stehen soll. Nach zehn Tagen ohne jegliche Reaktion von Sigfox wurde versucht die Angelegenheit über die deutsche Sigfox-Niederlassung in Grasbrunn zu erledigen, wofür aber noch mehrere Anrufe und Emails notwendig wurden, bevor der Account dann für die Registrierung der beiden Module zur Verfügung stand.

Die Registrierung der beiden Sigfox Devices konnte mit Unterstützung durch die deutsche Sigfox-Niederlassung erfolgreich absolviert werden (Bild 4), denn dabei sind doch einige Besonderheit zu beachten, etwa der Umstand, dass die PAC Number in umgekehrter Byte-Reihenfolge als auf dem Etikett abgedruckt, einzugeben ist oder aber dass das notwendige Product Certificate (das bei Sigfox für das Radiocrafts-System hinterlegt ist) eine völlig andere Bezeichnung hat als im Demonstration-Kit-Quick-Start-Dokument [4] von Radiocrafts angegeben.

Für den Communikation Status (Bild 4) wird keine Aktivität der beiden Sigfox Devices in der Device List ausgewiesen, was entweder daran liegt, dass die Module kein Sigfox-Netz „sehen“ oder sie sind defekt oder einfach auch gar nicht vorhanden.

Inbetriebnahme 

RCTools ist eine spezielle PC-Software-Suite für den Test, die Konfigurierung und die Entwicklungsunterstützung von unterschiedlichen Radiocrafts-Modulen (Sigfox, KNX, Wireless M-Bus und andere) und setzt ein installiertes .NET Framework 2.0 unter Windows voraus, was, wenn nötig, automatisch während der Installation von RCTools mit installiert wird. Je nach verwendetem Radiocrafts-Modul unterscheiden sich die Bestandteile der RCTools. Die Dokumentation von 2008! dazu macht hier allerdings keinen Unterschied, sodass man sich zunächst darüber wundern mag, warum bestimmte Teile im Programm anders aussehen oder auch fehlen.

Für Sigfox-Module gibt es als einzige Software lediglich SIG-CCT (Configuration and Communication Tool), welches für die Kommunikation mit der UART-Schnittstelle eines Moduls und damit auch für eine erste Funktionsüberprüfung vorgesehen ist. Die Sigfox-Module beinhalten einen UART/USB-Converter (von FTDI), sodass diese wie üblich nach dem Anschluss über den USB als virtuelle COM-Ports unter Windows und auch in SIG-CCT erscheinen, welches im Wesentlichem die Funktion eines Terminalprogramms bietet.

Zunächst ist die Baudrate festzulegen, die laut SIG-CCT User Manual [5] automatisch detektiert wird, wenn der Config-Button im Programm betätigt oder alternativ die RTS-Leitung mit dem Config-Pin des Moduls verbunden wird. Die Baudrate-Autodetection per Config-Button führte lediglich zur Meldung »No proper BAUD rate selected« und wo RTS-Leitung und Config-Pin zugänglich sind, konnte nicht in Erfahrung gebracht werden, denn es gibt keinerlei Dokumentation zu den Platinen, sondern nur zu den Modulen selbst, sodass die Bedeutung der einzelnen Connectoren, LEDs und Taster auf den Platinen unklar bleibt.

Immerhin sind zwei der Taster auf der Platine mit Reset und Config beschriftet und tatsächlich, wenn diese Config-Taste unmittelbar nach dem Aufruf der Baudrate-Autodetection betätigt wird, stellt sich die Baudrate ein und das Modul wird als Connected ausgewiesen. Das war es dann aber auch schon, denn die Anwahl des Configuration Modes resultiert in einem Timeout und dem Aufruf anderer Funktionen in einer Windows Exception (Bild 5), sodass man damit bereits am Ende des Tests angelangt ist.

Bei einem derartigen Ergebnis sollte man meinen, dass der Support von Radiocrafts dann weiterhelfen kann (und will), diesen Eindruck hat man allerdings nicht. Auf diesbezügliche Support-Anfragen wird erst auf mehrmalige Erinnerung hin geantwortet, zunächst, dass die Anfrage erstmal erneut gestellt werden soll (»Can you please repeat the queries. My apologies for this, but your original query was lost in our admin«). Auf die Fragen wird allerdings nicht geantwortet, stattdessen wird auf ihre (unnütze) Knowledge Base verwiesen (Ergebnis 1. Versuch), zu einem Webinar eingeladen (Ergebnis 2. Versuch) oder der Aufbau der PAC geschildert (Ergebnis 3. Versuch), sodass dem Demonstration Kit RC1682-SIG-DK von Radiocrafts weder eine lokale (über den USB mit SIG-CCT) noch eine Sigfox-Funktionalität bescheinigt werden kann.

In den nächsten Ausgaben der DESIGN&ELEKTRONIK werden wir uns den SDR-Dongle von Sigfox und weitere Sigfox-Kits näher ansehen. (fr)

Referenzen

 [1] Klaus Dembowski, LoRa ohne WAN, Design & Elektronik, 2/2017; https://www.elektroniknet.de/design-elektronik/industrial-internet-industrie-4/lora-ohne-wan-139548.html

 [2] Sigfox-Netzabdeckung: https://www.sigfox.com/en/coverage

 [3] Sigfox-Module von Radiocrafts: https://radiocrafts.com/products/sigfox/

 [4] Radiocrafts RC16xxxx-SIG-DK Demonstration Kit Quick Start: https://www.radiocrafts.com/uploads/RC16xxxx-SIG-DK_Quick_Start_1_6.pdf

 [5] Radiocrafts SIG-CCT User Manual: https://radiocrafts.com/uploads/SIG-CCT_User_Manual.pdf