Kühnel Meshtastic

Funknetze mit LoRa
1. Auflage 2024
ISBN: 978-3-367-10671-4
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 146 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Mit Meshtastic eine netzunabhängige, zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur aufbauen

Mit der Funktechnologie LoRa als Basis können Sie drahtlose Maker-Projekte realisieren. So weit, so gut: Aber was ist, wenn Sie ein ganzes Netzwerk für den stabilen, dezentralen Austausch von Daten brauchen?

Mit Meshtastic bauen Sie sowohl öffentliche als auch lokale Netze auf und sind unabhängig vom Handynetz und Kabelverbindungen. Im Batteriebetrieb oder mit Solarzellen funken Sie off-the-grid und erreichen echt Autarkie, wenn Sie Daten zuverlässig teilen müssen. Wie das geht, zeigt Ihnen Claus Kühnel in dieser kompakten Einführung. Auf 140 Seiten bietet Ihnen dieses digitale Buch auf einen Blick alles, was Sie zu Meshtastic wissen müssen.

Aus dem Inhalt:

• Lokale IoT-Netze aufbauen
• Mikrocontroller für Meshtastic
• Firmware aufspielen und Geräte konfigurieren
• Ein Meshtastic-Netzwerk aufbauen
• Verbindungen ins Internet
• Anwendungstests
• Spannungsversorgung mit Batterien und Solar
• Optimierung der Funkverbindungen
• Bauliche Gegebenheiten
• Netiquette und Traffic Observer

Autoren/Hrsg.

Kühnel, Claus

Inhaltsverzeichnis

  1.  Lokale IoT-Netzwerke ... 11

       1.1 ... Computer-Netzwerk ... 11

       1.2 ... Lokales Netzwerk ... 12

       1.3 ... Das Internet of Things (IoT) ... 13

       1.4 ... Netzwerktopologie ... 15

       1.5 ... IoT-Netzwerk ... 16

       1.6 ... IoT-Sensorknoten ... 20

  2.   Meshtastic Devices ... 25

       2.1 ... Unterstützte Mikrocontroller-Boards ... 26

       2.2 ... Eingesetzte Mikrocontroller-Boards ... 28

  3.  Die Meshtastic-Firmware ... 39

       3.1 ... Firmware aufspielen ... 39

       3.2 ... Konfiguration eines Meshtastic Devices ... 43

       3.3 ... Die Python CLI von Meshtastic ... 51

  4.  Aufbau eines Meshtastic-Netzwerks ... 55

       4.1 ... Autonomes Netzwerk zur Übermittlung von Nachrichten ... 55

       4.2 ... Meshtastic-Netzwerk zur Übermittlung von Messdaten ... 56

  5.  Verbindung ins Internet ... 61

       5.1 ... MQTT-Konfiguration ... 61

       5.2 ... MQTT-Decodierung ... 64

       5.3 ... Visualisierung der Daten des Meshtastic-Netzwerks ... 66

  6.  Meshtastic-Anwendungstests ... 77

       6.1 ... Öffentliches oder privates Netz? ... 77

       6.2 ... Tracing ... 80

       6.3 ... Die Mesh-Abdeckung ... 81

       6.4 ... Nachrichten im Netzwerk ... 82

       6.5 ... Statusüberwachung ... 84

       6.6 ... Externe Sensoren ... 86

       6.7 ... Solargepufferter Batteriebetrieb ... 86

       6.8 ... Meshtastic-Knoten auf Reise ... 91

  7.  Batterien für Meshtastic-Knoten ... 97

  8.  Optimierung der Solar-Spannungsversorgung ... 101

       8.1 ... Konventionelle Ladeschaltung ... 101

       8.2 ... MPPT-Laderegler ... 102

  9.  Optimierung der Funkverbindung ... 105

       9.1 ... Link-Budget ... 105

       9.2 ... LoRa-Antennen ... 108

10.  Gehäuse für Meshtastic Devices ... 123

11.  Berücksichtigung baulicher Gegebenheiten ... 129

12.  Netiquette und Traffic Observer ... 133

13.  Referenzen ... 141

  Index ... 143

Leseproben

2.2    Eingesetzte Mikrocontroller-Boards

Es ist hier nicht Ziel, alle möglichen Mikrocontroller-Boards zu testen. Die folgende Aufstellung zeigt die von mir eingesetzten Boards.

2.2.1    HELTEC LoRa32 V3

Das von Heltec Automation entwickelt HELTEC LoRa32 V3 (https://heltec.org/project/wifi-lora-32-v3/) ist ein klassisches IoT-Development-Board. Es ist zum weit verbreiteten V2 Board pin-kompatibel, weist aber wesentlich verbesserte Eigenschaften auf (Abbildung 2.3).

Abbildung 2.3     HELTEC LoRa32 V3

Auf dem Board befindet sich ein ESP32-S3-Mikrocontroller und ein SX1262-LoRa-Transceiver. Mit WiFi, LoRa und Bluetooth stehen drei Netzwerkverbindungen zur Verfügung. Zur Verbindung mit dem PC dient eine USB-Schnittstelle Typ-C.

Durch eine (auf der Rückseite befindliche) integrierte SH1.25-2-Batterieschnittstelle sowie ein Lithium-Batterie-Management-System (Lade- und Entlademanagement, Überladeschutz, Batteriestromerkennung, automatisches Umschalten zwischen USB- und Batteriestrom) eignet sich das Board für den Batteriebetrieb.

Über das 0,96?-OLED-Display können Status- und Debugging-Informationen ausgegeben werden.

Leider fehlt beim HELTEC LoRa V3 der nach außen geführte I2C-Bus, der gern für Erweiterungen mit externen Sensoren verwendet wird. Abbildung 2.4 zeigt das Pinout des HELTEC LoRa V3.

Abbildung 2.4     HELTEC LoRa32 V3 Pinout (Bild: Heltec)

Ein möglicher Hack für den I2C-Bus ist unter https://meshtastic.discourse.group/t/how-to-connect-to-i2c-on-heltec-lora32-v3/7759 beschrieben.

2.2.2    LilyGo LoRa T3-S3

LilyGo LoRa T3-S3 V1.0 (https://www.LilyGo.cc/products/t3s3-v1-0?variant=42586879688885) (Abbildung 2.5) ist eine neue Version der LoRa-Serie (ehemals LoRa32-Serie). Von den eingesetzten Komponenten her gleicht das Board dem HELTEC LoRa V3, nur dass dieses Board mit unterschiedlichen LoRa-Transceivern angeboten wird.

Angeboten werden Boards mit Semtech SX1262, SX272 und SX1280, die gleichermaßen geeignet sind. Außerdem ist das Board mit einem Slot für eine TF-Card ausgestattet.

Abbildung 2.5     LilyGo LoRa T3-S3

Auch beim LilyGo LoRa T3-S3 ist der I2C-Bus durch das OLED-Display belegt. Es sind aber genügend I/O-Pins frei, um diese für den zweiten beim ESP32 vorhandenen I2C-Bus zu verwenden. Abbildung 2.6 zeigt das Pinout des LilyGo LoRa T3-S3.

Abbildung 2.6     LilyGo LoRa T3-S3 Pinout

Sie können durch die folgende Anweisung freie I/O-Pins als zweiten I2C-Bus spezifizieren:

Wire1.begin(15,16)

Ob dieses Vorgehen durch die Meshtastic-Firmware abgedeckt wird, muss geklärt werden.

2.2.3    LilyGo T-Beam Meshtastic

LilyGo T-Beam Meshtastic (https://www.LilyGo.cc/products/t-beam-v1-1-esp32-lora-module?variant=43059202687157) (siehe Abbildung 2.7) ist eine Variante des LilyGo T-Beam mit bereits aufgespielter Meshtastic-Firmware.

Abbildung 2.7     LilyGo T-Beam Meshtastic

Von den eingesetzten Komponenten her handelt es sich wieder um einen ESP32 mit unterschiedlichen LoRa-Transceivern. Angeboten werden Boards mit Semtech SX1278 (433 MHz) und SX1276 (868 MHz).

Außerdem ist das Board mit einem Slot für einen LiPo-Akku 18650 und einer LiPo-Ladeschaltung auf Basis eines AXP192 (AXP192 Datasheet
http://www.x-powers.com/en.php/Info/product_detail/article_id/29) sowie einem GPS-Modul ausgestattet.

Der Batteriehalter ist für einen »kurzen« LiPo-Akku 18650 vorgesehen. Abbildung 2.8 zeigt die verschiedenen Varianten.

Abbildung 2.8     LiPo-Akku NCR18650 – Varianten

Da die Ladeschaltung mit AXP192 bereits Schutzmechanismen, wie Überspannungsschutz (OVP), Unterspannungsschutz (UVP), Überstromschutz (OCP) und Übertemperaturschutz (OTP), aufweist, bedarf es keines zusätzlichen Schutzes seitens der Batterie selbst.

Der I2C-Bus wird auf die Headerleisten herausgeführt. Wird das OLED-Display aufgesteckt, wie es in Abbildung 2.7 zu sehen war, dann sind die Anschlüsse nicht direkt zugänglich. Grundsätzlich steht aber dieser I2C-Bus für Erweiterungen zur Verfügung. Abbildung 2.9 zeigt das Pinout des LilyGo T-Beam.

Abbildung 2.9     LilyGo T-Beam Pinout

2.2.4    LilyGo T-Echo Meshtastic

LilyGo T-Echo Meshtastic (https://www.LilyGo.cc/products/t-echo?variant=42306295824565) ist eine Weiterentwicklung des LilyGo T-Beam, bei der von Anfang an Wert auf die Anpassung an Meshtastic gelegt worden war (Abbildung 2.10).

Abbildung 2.10     LilyGo T-Echo

Durch den Einsatz eines nRF52840 SoC konnte Bluetooth implementiert und geringer Stromverbrauch erreicht werden. Die LoRa-Funktionalität übernimmt, wie schon beim T-Beam, eine SX1262. Ein 1,54?-E-Paper-Display dient der Anzeige und ein optionaler BME280-Sensor kann Umweltdaten erfassen.

Das Multi-Satelliten-Positionierungssystem L76K unterstützt GPS, BeiDou, GLONASS und QZSS und bietet eine schnelle und genaue Positionierung. Gegenüber einem einzelnen GPS erhöht sich die Anzahl der sichtbaren Satelliten erheblich, verbessert sich die Positionierungsgenauigkeit und es kann selbst in komplexen städtischen Umgebungen eine stabile, hochpräzise Positionierung erreicht werden.

An der Rückseite sind verschiedene Anschlüsse über einen HiRose-Steckverbinder zugänglich. Abbildung 2.11 zeigt den kompakten Steckverbinder und Abbildung 2.12 dessen Pinbelegung. Zusätzliche Sensoren könnten über den I2C-Bus kontaktiert werden.

Abbildung 2.11     HiRose DF37NB-10DS-0.4V Steckverbinder

Abbildung 2.12     HiRose DF37NB-10DS-0.4V Pinout

Die Bedienelemente des LilyGo T-Echo zeigt Abbildung 2.13. Außerdem ist dort die interne Pinbelegung zu sehen. Diese Angaben sind wichtig, wenn Firmwareanpassungen vorgenommen werden sollten.

Abbildung 2.13     LilyGo T-Echo Bedienelemente & Pinout

2.2.5    WisBlock Meshtastic Starter Kit

WisBlock ist ein modulares System, dessen Komponenten auf einem Baseboard aufbauend über industrietaugliche Steckverbinder verbunden werden können. Das WisBlock-System wurde von RAKwireless (https://www.rakwireless.com/en-us) für die IoT-Industrie entwickelt. Das macht es einfacher, Sensoren, Aktoren und IO-Module zu verbinden und in einem Low Power Wide Area Network (LPWAN) zu verankern.

Aus diesen Komponenten wurde das WisBlock Meshtastic Starter Kit (https://store.rakwireless.com/products/wisblock-meshtastic-starter-kit) als Basic Kit für Meshtastic zusammengestellt.

Das Starter Kit besteht aus einem Baseboard RAK19007 und einem Controllermodul RAK4631 und kann durch weitere Module ergänzt werden. Abbildung 2.14 zeigt ein Baseboard RAK5005-O (Vorgänger des RAK19007) mit einem Controller RAK4631 und einem Sensorboard RAK1901.

Abbildung 2.14     WisBlock Meshtastic Starter Kit

Das Starter Kit kann mit einem oder mehreren der folgenden Module erweitert werden:

• RAK12500 GNSS-Modul

• RAK13002 IO-Modul

• RAK1921 OLED-Display

Einen gewissen Schutz vor äußeren Einflüssen und die Aufnahme einer Batterie 18650 kann die RAKBox-B5 bieten.

Mit dem Unify-Gehäuse kann das Starter Kit auch im Außeneinsatz verwendet werden. Das Solarpanel des Unify-Gehäuses kann die Lebensdauer einer Batterie verlängern, indem es sie (Sonne vorausgesetzt) automatisch auflädt.

Das RAK4631 WisBlock Core-Modul ist bereits mit der Meshtastic-Firmware geflasht.

Die ganze Palette der WisBlock-Module finden Sie auf der Website des Herstellers https://store.rakwireless.com/. Anwendungen des WisBlock-Systems habe ich in einem Buch/E-Book zusammengefasst:

https://www.amazon.de/dp/3907857526/ – [1]

...

Über Autor(innen)

Kühnel, Claus
Dr. Claus Kühnel studierte Informationstechnik an der Technischen Universität Dresden und hat über viele Jahre Embedded Systems für die Labordiagnostik u.a. entwickelt. In diesem interdisziplinären Spannungsfeld kam er mit der Maker-Szene in Berührung. Er hat zahlreiche Artikel und Bücher zu Hard- und Software von Mikrocontrollern im In- und Ausland veröffentlicht. Von der Zeitschrift Elektronik erhielt sein Beitrag „Arduino & Co“ die Auszeichnung „Artikel des Jahres 2011“. Mit Leidenschaft gibt er sein umfangreiches und fundiertes Wissen an interessierte Leser weiter.