LoRaWAN Wetterstation SEN-15901

Motivation

Die analoge Wetterstation SEN-15901 soll mithilfe eines Arduino Uno Daten über LoRa versenden und im The Things Network (TTN) ausgewertet werden.

Die Anwendung entstand im Rahmen des Projektseminars 2021/22 bei Prof. Dr. Jörg Vogt an der HTW-Dresden.

Dokumentation

Für eine Erklärung und einen genauen Aufbau betrachten Sie bitte die Dokumentation.

Übersicht

Das Repository ist folgendermaßen aufgebaut:

LoRaWAN-Wetterstation-SEN-15901
├── docs
│   ├── documentation.pdf               Projektdokumentation
│   ├── documentation.tex               Projektdokumentation LaTeX-Quelldatei
│   ├── img                             enthält Bilder für die Dokumentation
│   │   └── *
│   ├── links.md                        Linksammlung (Wetterstation, Arduino)
│   └── schaltplan.fzz                  Fritzing Schaltplan der Anwendung
├── README.md                           
└── src         
    ├── local_weather_station           Implementation ohne LoRa
    │   └── local_weather_station.ino
    └── lora_weather_station            Implementation mit LoRa
        ├── config.h                    Konfigurationsdatei für den Nutzer
        ├── lora_weather_station.ino    Hauptprogramm für Arduino
        ├── payload_formatter.js        Uplink Payload Formatter für TTN
        ├── secret.template.h           Template für Secrets
        ├── ttn_send.cpp                LoRa Sendefunktionalität
        └── ttn_send.h                  

Voraussetzungen

Um die Anwendung zu nutzen, wird folgende Hardware benötigt:

• Wetterstation SEN-15901
• Arduino Uno
• Dragino LoRa Shield 1.4 für Arduino
• LoRa-Gateway (sofern nicht in Reichweite)
• 2x RJ11 Einbaubuchsen
• 1x Widerstand (10 kOhm)
• Breadboard, Jumper-Kabel

Außerdem muss ein TTN-Account angelegt werden.

Installation

Arduino IDE

1. Arduino IDE herunterladen (https://www.arduino.cc/en/software)

2. Installationsanleitung folgen: https://ubuntu.com/tutorials/install-the-arduino-ide#2-installing-via-a-tarball

3. Arduino Uno anschließen

4. Arduino IDE starten mit sudo arduino

5. Unter Werkzeuge->Board "Arduino Uno" wählen

6. Unter Werkzeuge->Port "/dev/ttyUSB0" wählen

7. Um die Funktionalität zu testen, kann ein Testskript ausgeführt werden:

   • Dazu in der Arduino IDE Datei->Beispiele->01 Basics->Blink wählen, dann "Hochladen" drücken.
   • Die "L" LED (PIN 13) des Arduino Uno sollte aufblinken.

LMIC Bibliothek einbinden (für LoRa Shield 1.4)

1. Bibliothek Arduino-LMIC als ZIP herunterladen (https://github.com/dragino/arduino-lmic)

2. Arduino IDE starten

3. Unter Sketch->Bibliothek einbinden->.ZIP-Bibliothek hinzufügen die heruntergeladene ZIP hinzufügen

4. Die Frequenz in der LMIC-Library anpassen (siehe https://github.com/dragino/arduino-lmic#configuration)

   • Die benötigte Datei befindet sich unter home/Arduino/libraries/arduino-lmic-master/src/lmic/config.h
   • Hier muss die Region gegebenenfalls angepasst werden.

VSCode Arduino Extension

1. vsciot-vscode.vscode-arduino Microsoft Extension installieren

2. In den VSCode Einstellungen folgende Zeilen hinzufügen (Pfad zum Arduino Binary Verzeichnis ggf. ändern):

"arduino.path": "/usr/local/bin/arduino/arduino-1.8.16",
"arduino.logLevel": "info",
"arduino.enableUSBDetection": true,
"C_Cpp.intelliSenseEngine": "Tag Parser"
"arduino.defaultBaudRate": 9600

3. Im Terminal die Berechtigung für den USB Port /dev/ttyUSB0 aktivieren:

sudo chmod a+rw /dev/ttyUSB0

4. VSCode neustarten

5. eine lora_weather_station.ino Datei öffnen, um Arduino Optionen einsehen zu können

6. Arduino Uno anschließen

7. In der Taskleiste folgende Optionen einstellen:

   • das Board auf Arduino Uno
   • Programmer auf avrispmkii
   • Port auf /dev/ttyUSB0

• Der Serielle Monitor ist dort ebenfalls für Debugging verfügbar

VSCode LaTeX Extension (optional)

1. LaTeX-Pakete installieren:

sudo apt install texlive texlive-lang-german texlive-latex-extra latexmk

2. VSCode Extension james-yu.latex-workshop installieren

3. Gegebenenfalls VSCode neustarten

TTN

OTAA (empfohlen)

1. Add application
2. Add end device
   1. Manually
   2. Frequency Plan: Europe 863-870 MHz (SF9 for RX2 - recommended)
   3. LoRaWan version: MAC V1.0.2
   4. Regional Parameters version: PHY V1.0.2 REV A
   5. DeEUI, AppEUI, AppKey generieren und in Code einfügen (lsb beachten)
   6. Register end device

ABP (alternativ)

1. Add application
2. Add end device
   1. Manually
   2. Frequency Plan: Europe 863-870 MHz (SF9 for RX2 - recommended)
   3. LoRaWan version: MAC V1.0.2
   4. Regional Parameters version: PHY V1.0.2 REV A
   5. Show advanced activation !
   6. Activation mode: Activation by personalization (ABP)
   7. Device address, AppSKey, NwkSKey generieren und in Code einfügen
   8. Register end device
   9. Frame Counter deaktivieren
   10. In den General settings Tab wechseln
   11. unter Network Layer -> Expand
   12. unten Advanced MAC settings
   13. das Häkchen in Resets frame counters setzen

ADR deaktivieren (optional)

1. In den General settings Tab wechseln
2. unter Network Layer -> Expand
3. unten Advanced MAC settings
4. das Häkchen in Use adaptive data rate (ADR) entfernen

Konfiguration der Parameter

Für eine Beispielkonfiguration betrachten Sie bitte das Beispiel und die Erklärungen in config.h

Ausführung

1. TTN End Device erstellen (entweder OTAA oder ABP)
   • siehe Dokumentation
2. Repository in VSCode öffnen
3. Die Datei secret.template.h mit den entsprechenden Secrets füllen
4. Die Datei secret.template.h umbenennen in secret.h
5. Die Konfigurationsdatei config.h anpassen
   • Beispiel siehe config.h
6. Arduino Uno anschließen
7. Berechtigung für den USB Port aktivieren:
   • sudo chmod a+rw /dev/ttyUSB0
8. Die Datei lora_weather_station.ino öffnen
9. Die Anwendung auf den Arduino Uno schreiben
10. Zum TTN End Device wechseln und auf Pakete warten

Ausgabeformat

Der Payload Formatter in payload_formatter.js muss ins TTN eingepflegt werden und gibt JSON-Objekte nach folgendem Schema aus:

  "decoded_payload": {
    "0": {
      "max_wind_speed": "0.00 km/h",
      "rain_amount": "0.0000 mm",
      "wind_direction": "N",
      "wind_speed": "0.00 km/h"
    },
    "1": {...},
  }

TODO

• Bilder in Aktion hinzufügen
• Dokumentation auf Englisch übersetzen
• Prüfen warum bei ABP nicht alle Frequenzen funktionieren