Die eigentlich für Langstrecken gedachte Funktechnologie lässt sich mit vertretbaren Kosten und Aufwand auch als leistungsfähigerer WLAN-Ersatz nutzen.
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network [1], etwas doppelt gemoppelt, also für ein Weitdistanznetz. LoRaWAN ist in Deutschland mit Begriffen wie Smart City verknüpft, und die üblichen Einführungen empfehlen Gateways auf Kirchtürmen oder sogar Berggipfeln, um ganze Städte abzudecken. Smarte Sensoren leiten dann über diese Gateways ihre Daten ins Netz.
Diese großen Lösungen nutzen das LoRa-Funkprotokoll auf unterer Ebene. Darüber kommt aber ein applikationsspezifischer Netzwerkstack, um den es hier explizit nicht geht. Wir stellen aber ein paar Breakouts vor, die das Protokoll implementieren, sodass Sie dann Daten über größere Distanzen austauschen können.
Funktechnisches
LoRa arbeitet wie viele andere Funktechnologien auf den lizenzfreien Bändern um 433 und 868 MHz. Welchen Bereich es genau nutzt, hängt von landesspezifischen Regularien ab. In den USA funkt LoRa zum Beispiel auf 915 MHz, in anderen Ländern lediglich im 433-MHz-Band. Die Funkbausteine sind dabei auf eine feste Frequenz eingestellt und können nur mit gleichartigen Chips auf ihrer eigenen Frequenz kommunizieren. Die im Folgenden betrachteten 915-MHz-Chips beherrschen auch die Kommunikation im 868-MHz-Band.
Für die Chips gibt es passende Breakouts von diversen Herstellern. Auf fast allen ist ein Modul von Hope Microelectronics aufgelötet. Beim Kauf der Komponenten beschränken Sie sich am besten auf Produkte eines einzelnen Herstellers – das schützt vor bösen Überraschungen. Ebenfalls ein Fallstrick sind die Bezeichnungen: Neben LoRa-Chips gibt es auch Funkchips mit sehr ähnlichen Namen, die zwar dieselben Frequenzen nutzen, aber anders funken.
Hardware
Für unseren Test kamen das RFM95W LoRa Radio Transceiver Breakout [2] sowie das LoRa Radio Bonnet with OLED [3] zum Einsatz, die beide von Adafruit stammen. Auf dem Bonnet, einem kleinen HAT, sitzen neben dem Funkchip noch ein winziges I2C-OLED-Display (128 x 32 Pixel) sowie drei Taster (Abbildung 1). Beide sind für Tests recht nützlich, aber der Hauptvorteil des Bonnet ist die Buchsenleiste für den RasPi. Sie fehlt dem preisgünstigeren Breakout (Abbildung 2) ebenso wie Display und Taster.
Abbildung 1: Das gut ausgestattete LoRa Radio Bonnet with OLED stammt ebenfalls von Adafruit.
Abbildung 2: Das RFM95W LoRa Radio Transceiver Breakout von Adafruit ist ein minimalistisches LoRa-Board.
Adafruit erstellt für seine Produkte stets sehr nützliche Anleitungen, die auf Bibliotheken, Schaltpläne, Platinenlayouts und Datenblätter verlinken. Das erleichtert sowohl den Einstieg als auch weitergehende Projekte.
Die Breakouts beziehen Sie beispielsweise bei Berrybase [4]. Dort zahlen Sie für das einfache Breakout um die 24 Euro, das Bonnet schlägt mit rund 38 Euro zu Buche. Ob Display und Taster den Aufpreis wirklich wert sind, müssen Sie selbst entscheiden; bei den Kernfunktionen der beiden Komponenten gibt es keinen Unterschied. Achtung: Es gibt Produkte mit sehr ähnlicher Bezeichnung, die aber ein RFM69 im Namen haben. Diese Module funken zwar in denselben Bändern, aber nicht mit dem LoRa-Protokoll.
Auf der Hardwareseite benötigen Sie noch eine passende Antenne. Die muss nicht so groß ausfallen wie das Exemplar in Abbildung 3 (der RasPi dient hier nur dem Größenvergleich). Ob die auf den üblichen Marktplätzen angebotenen Antennen überhaupt zur angepriesenen Funkfrequenz passen, ist sowieso fraglich.
Abbildung 3: Viel hilft viel – das gilt bei Antennen nicht immer.
Einfacher fahren Sie mit einer Selbstbauantenne. Dazu genügt ein Draht in der passenden Länge (Lambda/4), für 868 MHz sind das 88,43 Millimeter. Die erwartete Übertragungsdistanz liegt damit bei 2 Kilometern, Sichtverbindung vorausgesetzt. Mit speziellen Antennen sollen sogar 20 Kilometer drin sein. Ohne Sichtverbindung sind es deutlich weniger – dazu später mehr.
Software
Der Empfangspuffer des RFM95W-Chips limitiert zum einen die Nachrichtengröße und hat zum anderen Auswirkungen auf die Verarbeitung der Daten. Es stehen 252 Bytes zur Verfügung.
Hinzu kommt ein Header von 4 Bytes, den nicht die Hardware einfordert, sondern die weitverbreitete Bibliothek RadioHead [5]. Im Header stehen die IDs der beteiligten LoRa-Knoten (Quelle und Ziel) sowie eine Sequenznummer. Über Letztere emuliert die Software eine Art Reliable Datagram, also die zuverlässige Übertragung von Nachrichten.
Auf der Empfängerseite sollte man einen eventuellen Paketverlust dadurch minimieren, dass das Empfangsprogramm die Daten nur weiterreicht und dann sofort wieder in den Empfangsmodus schaltet. Optimal ist also ein in C/C++ implementiertes Programm auf einem Mikrocontroller, der die Daten zur Weiterverarbeitung per serieller Schnittstelle an einen RasPi delegiert.
