Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) – Gateway

Ich war für meine Outdoor Roboter Projekte auf der Suche nach einem Funkgateway der viele Meter bis Kilometer überbrücken kann. Dabei spielt ein hoher Datendurchsatz keine große Rolle da nur Sensordaten wie Temperatur, Luftfeuchte oder GPS Positionen übertragen werden sollen. Bei meiner Suche bin ich auf diverse Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) Lösungen gestoßen und das TheThingsNetwork kurz TTN genannt. Da es sich bei dem TTN um eine aus der Community angetriebene weltweite Lösung handelt habe ich mich entschieden selber ein öffentliches LoRaWAN Gateway im Garten aufzubauen. In vielen Städten weltweit sind LoRaWAN Gateways öffentlich erreichbar und jeder kann ohne großen technischen Aufwand selber solch ein Gateway bauen, aufstellen und betreiben.

In diesem Artikel geht es um den Bau des LoRaWAN Gateways auf Basis des „IMST iC880A-SPI – LoRaWAN Concentrator 868MHz“.

Mehr über diese Platine gibt es auf GitHub hier zu erfahren: https://github.com/ch2i/iC880A-Raspberry-PI

Das nachfolgende Bild zeigt mein fertig aufgebauter Long Range Wide Area Network LoRaWAN Gateway.

Zusammenbau der Hardware:

Das Herzstück des LoRaWAN Gateways ist das Concentrator Board und ein Raspberry Pi 3 B der auf das Board gesteckt wird. Ich finde die Lösung des Gateways auf Raspberry Pi Basis sehr scharmant auch wenn die Lösung natürlich sehr Energie hungrig ist und nicht wirklich gut für einen Betrieb als Off Grid Lösung gedacht ist. Dafür können aber die Nodes die ihre Daten an das Gateway senden sehr Energie sparend gebaut werden.

An für sich muss man nicht viel Löten wenn man den Gateway aufbaut. Ein paar Stiftleisten müssen aufgelötet werden und der Step-Down Konverter für die Energieversorgung. Wer noch vier LED verbauen möchte muss diese noch auf das Board nebst Widerständen einlöten. Im Großen und Ganzen geht das recht fix und einfach da die Lötpunkte recht groß sind und kein spezielles Werkzeug benötigt wird.

Betriebssystem und Softwareinstallation:

Die Anleitung die hier online bereitgestellt wird WorkshopTTNOutdoorGatewaybuildinginstructions.docx.pdf  beschreibt sehr gut wie das Betriebssystem und die Software auf die micro-SD Karte für den Raspberry Pi installiert wird.

Hinweis: Unter Windows hatte ich leichtere Probleme mit den SSH-Keys. Einmal diese zu erzeugen und dann die richtigen Key’s unter Windows in die richtigen Ordner zu kopieren damit ich mich dann via PuTTY die nächsten Schritte der Anleitung durchführen konnte. Das war aber wirklich der einzige Fallstrick und auf dem TTN-Munich Workshop auf dem wir das Gateway in einer Gruppe von ca. 10 Personen zusammengebaut haben konnte mir ein Teilnehmer helfen.

Generell muss ich aber sagen, dass die Installation der Software ohne Probleme verlief und dass der Gateway an sich schnell in Betrieb genommen werden konnte. Für einen ersten Test ob die Software soweit funktioniert haben wir den Raspberry Pi alleine eingeschalten getrennt von der restlichen Hardware.

Hinweis: Wichtig vor dem ersten Einschalten ist, dass das Concentrator Board nur eingeschalten werden darf, wenn auch die Antenne angeschlossen ist. Andernfalls kann es zu einer Beschädigung der Hardware also des Concentrator Boards kommen.

Nach dem der Raspberry Pi ein paar Minuten lief und via LAN Kabel am Internet hing konnten wir alle in der Konsole auf resin.io unser Gerät bzw. zukünftiges Gaetway arbeiten sehen. Natürlich kamen Meldungen, dass das Concentrator Board fehlt aber dieses war ja auch noch nicht aufgesteckt.

Als nächstes haben wir das Concentrator Board und den Raspberry Pi zusammengesteckt, die Antenne angeschlossen und unter resin.io geschaut ob die Meldungen zeigen, dass alles funktioniert.

Gehäuse und Aufbau:

Nach dem klar war, dass das LoRaWAN Gateway funktioniert habe ich diese nach dem Workshop bei mir zuhause in der Werkstatt in Ruhe in das Outdoor Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse ist wirklich massiv und schützt die Hardware vor der Witterung zuverlässig. Damit alles seinen Platz findet habe ich den Aufbau erste einmal komplett vorgenommen ohne die einzelnen Teile festzuschrauben.

Hinweis: Ein kleiner Fehler ist mir dennoch passiert. Ich habe den Abstand zwischen Netzteil und Raspberry Pi zu klein Gewählt da ich das Netzwerkkabel nicht angeschlossen hatte. So ist dieses jetzt leider etwas stark gebogen aber das sollte kein allzu großes Problem sein da keine weiteren mechanischen Belastungen auf das Kabel wirken.

Nach dem ich wusste so welche Teile im Gehäuse befestigt werden sollten habe ich in die Befestigungsplatte die Löcher gebohrt. Anschließen habe ich alles verschraubt bzw. mit Kabelbinden befestigt.

Nach dem alles soweit im Gehäuse verbaut war habe ich das Gateway ein paar Tage im Keller laufen lassen. Nach dem ich mir sicher war das es keine Abstürze gab bzw. auch das Gehäuse nicht groß warm wurde habe ich alles in den Garten bzw. in das Gartenhaus gebaut. Dort habe ich 230V und mit einem PowerLAN Adapter auch einen Internetzugang.

Zusammenfassung:

Der Gateway läuft jetzt schon seit ein paar Wochen ohne Probleme. Der massive Aufbau an Rechenpower mit einem Raspberry Pi und das Gehäuse gefallen wir sehr gut. Ich bin zuversichtlich das diese Lösung ohne große Wartung Jahre lang arbeiten kann. Eventuell wird aber die SD-Karte irgendwann Probleme machen. In meiner Nähe betreibt wohl auch schon jemand ein LoRaWAN Gerät da mein Gateway schon Pakete empfängt und verarbeitet. Ich selber werde mit jetzt als nächstes einen GPS Tracker auf LoRaWAN Basis bauen. Weiter bin ich schon sehr gespannt wie ich auch die Technik bzw. das Gateway für meine Roboter weiter nutzen kann.