EASY-LoRa
Text- und GPS-Navigationsdatenübertragung mithilfe von LoRa-Funk
In Bearbeitung

"LoRa" (TM) steht für "Long Range". Dabei handelt es sich um ein Funkübertragungsverfahren, mit dessen Hilfe sich beispielsweise Telemetriedaten im Rahmen des IoT ( Internet of Things )  über Distanzen übertragen lassen, die im Vergleich zur Nutzung von z.B. FSK- oder GMSK-Modulation bei üblicherweise mehr als dem Zehnfachen liegen. Erreicht wird das durch die Verwendung von Spread Spectrum Modulation. Der sich hierbei ergebende Systemgewinn von 20dB und mehr würde ansonsten nur durch Erhöhung der Sendeleistungen um den Faktor 100 erreichbar sein.
Bei "LoRa" handelt es sich um eine ursprünglich von der Firma SEMTECH eingeführte Technologie. Als weiterer Systemvorteil sei auch noch der selbst längere Batteriebetriebszeiten erlaubende geringe Energiebedarf genannt.


Durch Verwendung sehr preiswert erhältlicher LoRa-Transceiverbausteine lassen sich in der genannten Betriebsart Distanzen von ( natürlich antennen- und geländeabhängig ) bis zu 20 Km und mehr überbrücken. In Verbindung mit z.B. Ballonprojekten konnten es mehrfach aber auch schon viele Hundert Kilometer sein.
Nicht geeignet ist "LoRA" allerdings für Übertragungen mit hohen Datenraten. Die Vorzüge des Systems kommen vor allem dort zum tragen, wo es um nur relativ geringe Datenmengen in nicht allzu häufigen Zeitfolgen geht. Klassische Anwendungen sind allgemeine Telemetriedatenübertragungen z.B. im Rahmen des "Internet of Things" oder auch Trackingsysteme für den Nahbereich. Ein klassischer Einsatzbereich ist beispielsweise auch die Übertragung von GPS-Standortdaten zur Verfolgung und auch zum Wiederauffinden von Objekten, Personen und Tieren.
Ein Vielzahl von Links zum Thema LoRa befindet sich am Ende meiner Seite [1].

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Für den Einsatz in Europa vorgesehene Transceiverbausteine arbeiten im Bereich um 434 MHz ( 70cm-Band ) oder auf Frequenzen um 868 MHz. Mögliche Werte für die Sendeleistung liegen zwischen etwa 2 und 100 mW. Ihr Einsatz ist auch im Rahmen von Allgemeingenehmigungen zulässig, wenn dabei die gesetzlichen Bestimmungen für SRD-Anlagen ( Short Range Devices) eingehalten werden. Im sog. 70cm-ISM-Bereich ( 433.05-434.79 MHz ) ist die max. zulässige Sendeleistung dabei in den meisten europäischen Ländern auf 10 mW begrenzt.

Lizensierten Funkamateuren steht zumindest in einigen Ländern ( incl. Deutschland ) ein 10 MHz umfassender 70cm-Bereich ( 430-440 MHz ) zur Verfügung. Eine detailierte Aufteilung findet man in Bandplänen, so wie sie durch die IARU-R1 ( International Amateur Radio Union für  Region 1 ) erstellt werden. Auf der diesjährigen ( 2017 ) Konferenz dieser Organisation wurde nach einer Initiative des ÖVSV ( österreichische Amateurfunkvereinigung ) auch aktuell ein Teilbereich festgelegt, in dem sich offiziell breitbandige digitale Funkexperimente wie z.B. solche in LoRa-Technik durchführen lassen ( Abb.3 ). Er erstreckt sich von 433.600-434.594 MHz und deckt sich damit auch mit einem Teil des allgemein zugelassenen ISM-Bereiches. Im Vergleich zu ihm erlaubt er Funkamateueren aber die Verwendung auch höherer Sendeleistungen und gewinnbringender Antennen. Damit ergeben sich zumindest für diese Gruppe deutlich erweiterte Einsatzmöglichkeiten in einem noch weitgehend neu zu entdeckendem Experimentierfeld.

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Bisher hatte ich mich vorzugsweise mit LoRa-Sender/Empfängerbausteinen beschäftigt, die sich über ihre SPI-Busanschlüsse von Mikrocontrollern steuern liessen [1]. Nun habe ich aber unlängst auch Typen "entdeckt", die stattdessen serielle TTL-UART-Schnittstellen bereitstellten, was in manchen Fällen ( siehe weiter unten ) ihre Verwendung sogar OHNE zusätzlichen Mikrocontrollereinsatz erlaubt. Erste Versuche hatte ich dabei mit Bausteinen des Typs "HM-TRLR-S433" der Firma Hope durchgeführt, wobei mir deren erfolgreiche Nutzung zumindest bis jetzt allerdings noch nicht gelungen ist. Völlig unkompliziert erwies sich dagegen die Verwendung eines ähnlichen Typs von Fa. Dorji mit der Bezeichnung: "DRF1278DM" [4]. 


Im Rahmen der Amateurfunkbestimmungen sind für die Zukunft auch Versuche mit LoRa-1W-Moduln ( wie E32-TTL-1W ) geplant. Gegenüber den 100mW-Versionen ergibt sich bei ihrer Nutzung ein Leistungszugewinn von weiteren 10dB.

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Die LoRa-Technik erlaubt die Nutzung unterschiedlicher Betriebsmodi. Ihre Auswahl erfolgt über die Konfigurationseinstellungen. Im Wesentlichen geht es dabei um ein schwerpunktmäßiges Abwägen zwischen belegten Signalbandbreiten, unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten und daraus resultierenden Werten für die Signal-Empfindlichkeiten. Mehr hierzu findet man z.B. im zugehörigen Datenblatt [4].

Es folgt eine Liste der ( wichtigsten ) bei den "DRF1278DM" voreingestellten ( Default- ) Betriebsparameter:
UART-Datenrate     :  9600bps
Betriebsfrequenz      :  434.0 MHz
RF-Faktor                :  2048 ( = SF-11 )
RF-Bw                      :  125 KHz
RF-Power                 :  7 ( +20dbm= 100mW ) 

Anmerkungen:
* Für Nutzungen in Verbindung mit Allgemeinzulassungen ist ein RF-Powerwert von max. 3 ( für  Sendeleistungen bis +10dbm entsprechend 10mW ) zu wählen.

* Mit dem RF-Faktor 2048 wurde eine verhältnismäßig langsame Datenübertragung voreingestellt, was aber mit hoher Signalempfindlichkeit verbunden ist.
Dieser Modus eignet sich besonders auch zur Übertragung jeweils nur per Hand am Smartphone eingetippter Kurztextexe.
 
* Für die voreingestellten Bandbreitenwerte von 125 KHz ergeben sich ansonsten die folgenden Zusammenhänge:
RF-Faktor     Datenrate (bps)  Empfindlichkeit (dbm ) :
4096 ( SF-12 )        183                -136
2048 ( SF-11 )        328                -133        ( voreingestellt  )   
1024 ( SF-10 )        733                -132
512   ( SF-9 )        1312                -129
256   ( SF-8 )        2375                -126
128   ( SF-7 )        4338                -123       
Die entspr. Daten für andere Bandbreitenwerte kann man einer Tabelle entnehmen, die im unteren Teil von Seite [1] zu finden ist.


Zur Änderung der Konfigurationseinstellungen hat die Lieferfirma ein über diese Seite [5| zu findendes Windows-Tool bereitgestellt ( Abb.5 ). Ein Zugriff vom PC aus auf die LoRa-Bausteine erfordert das Zwischenschalten eines "USB zu Seriell-TTL-Adapters". Versuche, hierfür das vom Lieferanten der DRF-Bausteine mitgelieferte Exemplar zu verwenden, verliefen zumindest bei mir aber negativ ( keine Verbindung möglich! ). Daraufhin verwendete ich stattdessen ein zufällig vorhandenes Exemplar eines Adapters vom Typ "UM2102" von Fa. ELV. Die Verbindungen zum LoRa-Modul beschränkten sich dabei auf die beiden ( überkreuzten ) Datenleitungen und den Massekontakt. Dazu kommt lediglich noch eine Verbindung vom EN-Pin Nr.3 gegen Masse. Ansonsten wurde der DRF-Baustein separat aus einer LiPo-Zelle versorgt. Über das Konfigurationstool war anschliessend ein Zugriff auf die LoRa-Bausteine möglich und Änderungen in den Betriebseinstellungen liessen sich problemlos durchführen.

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Zur Anzeige empfangener und Eingabe abzusendender Texte eignen sich herkömliche Terminalprogramme mit Bluetoothschnittstelle. Eine entsprechende Auswahl ist im ANDROID PlayStore verfügbar.  Dabei hat sich allerdings herausgestellt, dass nicht alle bereitstehenden App's für den beabsichtigten Einsatzzweck auch geeignet sind. Auszusendende Texte werden üblicherweise vorgeschrieben und erst nach Betätigung einer SEND-Taste übertragen. Um auf der Empfangsseite auch das Ende übermittelter Nachrichten erkennen zu können, ist es wichtig, auf der Geberseite entsprechende Endzeichen hinzuzufügen. Dabei handelt es sich üblicherweise um den ASCII-Character 13 bzw. 0x0D in Hex-Schreibweise. In Programmcodes findet man dafür auch häufig die Zeichenfolge: '\r'. Leider tun sich einige Terminalprogramme nun aber schwer mit dem Anhängen dieser Zeichen, so dass sie danach für unsere Nutzung kaum noch infrage kommen.    
Ein Terminalprogramm, bei dem das genannte Problem nicht besteht und welches auch ansonsten alle meine Wünsche erfüllte, stammt von Kai Morich und ist unter dem Namen "Serial Bluetooth Terminal" aus dem Play-Store herunterladbar. Mit seinem gelben RS232-Stecker als Logo lässt es sich auch leicht finden.

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Nachdem oben genannte Funkbausteine bereits standardmäßig mit seriellen asynchronen Datenschnittstellen ( TTL-UART ) ausgestattet sind, lassen sie sich direkt mit  z.B. Bluetoothbausteinen wie den "HC-06" zusammenschalten. Abb.6 zeigt eine entsprechende Anordnung. Da LoRa- und Bluetoothbausteine auch mit weitgehend identischen seriellen Schnittstellenparametern ausgeliefert werden, sind dabei auch keine weiteren Konfigurationsmaßnahmen zu treffen.


Für einen bidirektionalen Kurztextaustausch ist jetzt lediglich noch jeweils ausgehend von den ANDROID-Endgeräten eine Bluetoothverbindung zum zugehörigen HC-06-Modul * aufzubauen. Dazu muss allerdings vorher ein einmaliges Pairing ( Kennenlernen ) zwischen beiden Einheiten stattgefunden haben.     
Wurden BT-Verbindungen auf beiden Seiten aufgebaut, kann unter Verwendung der uns schon bekannten Terminalprogramme mit dem Textaustausch begonnen werden. In diesem Zusammenhang ist noch anzumerken, dass dieses Übertragungssystem nicht auf 2 Teilnehmer beschränkt ist, sondern sich auch noch weitere Nutzer einklinken könnten, so sie identische LoRa-Betriebseinstellungen verwenden. Weiterhin sollte über die Node-ID- und Net-ID-Einstellungen auch eine ( begrenzte? ) Privatisierung möglich sein, womit ich mich selbst allerdings noch nicht beschäftigt habe.

 
*  Um mit Bluetoothmoduln arbeiten zu können, müssen diese in einem über das Menü der Smartphones erreichbaren Verzeichnis angemeldet worden sein. Melden wir dabei mehrere z.B. HC-06 an, so werden sich alle unter gleichem Namen identifizieren, was später zu Irritationen führen kann. Daher ist es dringend zu empfehlen, dass Namensgleichheiten vermieden werden.
Zur Umbenennung sind die BT-Moduln mit einem "USB zu Seriell-TTL-Adapter" zu verbinden, wobei RxD/TxD-Anschlüsse gekreuzt und dazu Masse, sowie Versorgungsspannung 3-5V anzuschliessen sind. Via USB sind die Adapter mit einem PC mit aktiviertem Terminalprogramm ( z.B. HTerm ) zu verbinden. In dessen Menü sind der verwendete Com-Port und die benutze Baudrate 9600bps anzuwählen. Anschliessend ist die CONNECT-Taste zu betätigen. Weiterhin ist sicherzustellen, dass folgende Datenaussendungen OHNE zusätzliche  CR- und  LF-Charaktäre erfolgen.
Bei funktionierender Datenverbindung werden die Bluetoothmoduln nach Empfang der Zeichenfolge "AT" mit "OK" antworten. Durch Aussendung von "AT+NAME und des ( nach einer Leerstelle )  gewünschten Namens, lässt sich bewirken, dass sich die BT-Moduln fortan nur noch mit ihrer neuen Identität melden. Dabei werden erfolgreiche Umbenennungen auch vom Modul quittiert.

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An dieser Stelle kommt üblicherweise die Frage nach den mithilfe der LoRa-Funkbausteine erzielbaren Funkreichweiten. Dazu kann nur soviel gesagt werden, dass mögliche Werte von verschiedensten Faktoren bestimmt werden. Dazu gehören vorallem:
* gewählte Sendeleistungen
* gewählter LoRa-Betriebsmodus
* Standorte der Endstellen
* Geländebeschaffenheit ( Stichworte: offenes Gelände, Hügel, Berge, enge Hausbebauung, Inhausnutzung ) 
* verwendete Antennen ( siehe dazu auch den folgenden Abschnitt )
Bei halbwegs freiem Gelände lassen sich mithilfe von LoRa ( im Rahmen der Allgemeinzulassungenn ) aber oftmals durchaus Distanzen von einigen Kilometern überbrücken

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Hochfrequenztechniker trauen sich zwar kaum noch, es noch einmal zu erwähnen, aber nach wie vor ist eine gut angepasste Antenne der beste ( und letztendlich auch preiswerteste ) HF-Verstärker. Beim Bezug von Funkbausteinen z.B. aus Fernost, werden nun aber oftmals in grosszügiger Weise auch kleine "Stummelantennen" beigelegt. Dabei darf man allerdings nicht automatisch davon ausgehen, dass es sich hierbei um Typen handelt, die frequenzmäßig auch zu den gelieferten Funkbausteinen passen!  Gerade aber, wenn man mit relativ geringen Sendeleistungen arbeiten will und dennoch akzeptabele Funkreichweiten erzielen möchte, ist es empfehlenswert, der Antennenfrage einige Aufmerksamkeit zu schenken.
Zusammen mit den Funkbausteinen "DRF1276DM" wurden z.B. kurze Stummelantennen geliefert. Zugegebenermaßen benutze auch ich sie für Übertragungsversuche über kurze  Entfernungen auch, aber ansonsten konnte bei ihnen nirgendwo im gesamten 70-cm-Bereich auch nur den geringsten Ansatz für eine Resonanzstelle finden. Die WSWR-Werte lagen hier bei etwa 1:7 !  Auch Antennen, die anderen LoRa-Bausteinen eines namhaften Lieferanten beigelegt waren, hatten als beste überhaupt einigermassen infragekommende Resonanzstelle eine solche bei etwa 500 MHz und waren damit auch nicht gerade optimal verwendbar.

Daher verwende ich, auch wenn sie etwas unbequemer in der Handhabung sein sollten, inzwischen vorzugsweise Antennen mit ungekürzter 1/4-Wellenlänge, also mit etwa 18 cm langen Strahlern. Hierzu fand ich bei Ebay ein Angebot, bei denen der beste Resonanzpunkt nun  tatsächlich bei etwa 435 MHz lag ( Abb.9 ). Ihr Einsatz ist z.B. auch in Verbindung mit Magnetfüßen für die Dachmontage auf Fahrzeugen empfehlenswert. Für stationäre Anwendungen würde ich dagegen eine der Groundplanes vorziehen, so wie sie z.B.  im Amateurfunkhandel zur Nutzung im 70cm-Band angeboten werden.

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Oft besteht der Wunsch zum einfachen Ausloten möglicher Funkreichweiten. Hierzu wurde das Arduino-Programm "Tritest" [6] geschaffen, welches sich aus drei einzeln aufrufbaren Teilprogrammen zusammensetzt, von denen allerdings nur immer eine Einheit aktiv sein kann. Die zugehörige Hardwarebeschaltung kann Abb.10 entnommen werden.


Programm 2  "ECHO-MODE"  ( Schalter "S2" = "ON" ) beinhaltet eine Echo-Funktion. Dabei wird auf serielle Daten gewartet, die am Hard-UART-Eingang ( #0  bzw. "RxD"  ) mit 9600bps eintreffen. Bis zur Erkennung einer übertragenen Zeilenendmarke ( Char 13 bzw. 0x0D  oder '\r' ) werden die einzelnen ASCII-Charaktäre in einen prozessorinternen Puffer geschrieben und unmittelbar danach wieder im Blockformat über Port #1 bzw. "TxD" seriell ausgegeben.
Zur Kontrolle aktuell existierender Funkkontakte ist somit lediglich eine beliebige Nachricht in Richtung der in diesem Modus betriebenen Einheit zu senden. Im positiven Fall werden übermittelte Inhalte unmittelbar nach ihrer Aussendung wieder zum Absender und ggf. auch an weitere Teilnehmer übertragen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich durch Installation derartiger Echo-Einheiten an exponierten Standorten ( Hochhäusern, Bergen, Ballons usw. ), was u.U. erheblich vergrößerte  Einzugsbereiche ermöglicht.

Das Programm 3  "GPS-MODE"  ( Schalter "S3" = "ON" ) dient der Verarbeitung von Navigationsdaten eines ggf. angeschlossenen GPS-Moduls ( mit 9600bps-TTL-Ausgang ) und ist somit vorzugsweise für den mobilen Einsatz gedacht. Üblicherweise liefern besagte GPS-Moduln im Sekundentakt eine Vielzahl uterschiedlichster sog. NMEA-Datensätze. Aufgrund des sich dabei ergebenden nicht unerheblichen Datenumfangs lassen sich diese allerdings nicht direkt über den seriellen Eingang der "DFR1278DM" verarbeiten. In den meisten Fällen wird von ihnen aber ohnehin nur ein Bruchteil tatsächlich benötigt. Daher ist es die Aufgabe von Programm 3, aus dem am Soft-UART-Eingang #2 anliegenden Gesamtangebot nur die Datensätze der Typen GGA und RMC herauszufiltern. Anschliessend werden sie in einem Zeittakt, der wiederum durch den Inhalt der Variablen "interval" bestimmt wird ( also derzeit im 10 Sekudentakt ), am Hard-UART-Ausgang wieder in Richtung LoRa-Modul ausgegeben ( siehe Abb.11 ).  
Bei Nutzung der voreingestellten LoRa-Parameter ergeben sich bei Aussendung beider ausgefilterten NMEA-Protokolltypen ( zusammen ca. 140 ASCII-Zeichen ) "ON-AIR-Zeiten" von mehreren Sekunden. Während für bestimmte Anwendungen, so z.B. für die weiter unten noch zu erwähnende Kartensoftware MAPS.ME die Bereitstellung BEIDER Protokolltypen erforderlich ist, genügt es in vielen Fällen lediglich die GGA-Protokolldaten zur Verfügung zu haben, was dann auch nahezu halbierte ON-AIR-Zeiten bewirkt. Zur Unterdrückung der RMC-Datensätze ist Schalter "S4" in Stellung "ON" zu bringen.

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Ziel war die Anzeige via LoRa empfangener Positionsdaten mithilfe eines Kartenprogrammes an ANDROID-Smartphones bzw. Tablets. Vorher hatte ich schon verschiedene andere APP's getestet [1], dann aber machte mich ein Bekannter auf "MAPS.ME" aufmerksam. Dieses Programm hat mir dann nicht zuletzt auch deshalb sofort gut gefallen, weil es ein völlig unkompliziertes Nachladen der für interessierende Regionen jeweils benötigten OpenStreetMaps erlaubte.

Der Haken hierbei und auch bei ähnlichen GPS-Programmen ist allerdings, dass sich diese ihre Navigationsdaten zuerst einmal von einem im ANDROID-Gerät integrierten GPS-Modul holen. Nachdem wir an dieser Stelle aber stattdessen mit Nav-Daten arbeiten wollen, die via Bluetooth von extern zugeführt werden, muss hierzu vorab noch eine geeignete Lösung gefunden werden. Sie ergibt sich durch Nutzung einer APP mit Namen "Bluetooth GPS Mouse", die dazu noch zusätzlich aus dem PlayStore heruntergeladen werden muss. Nach ihrem Start ist eine Verbindung zu dem Bluetoothmodul herzustellen, welches seine Daten vom empfangenden LoRa-Baustein erhält. Wurde diese Verbindung erfolgreich aufgebaut und werden daraufhin Navigationsdaten empfangen, dann sollten diese auch im Programmfenster der APP "Bluetooth GPS Mouse" erscheinen ( Abb.12 ) und fortan als Bezugspositionenswerte für MAPS.ME ( oder andere ähnliche Programme ) zur Verfügung stehen.
Um später für bestimmte Smartphone-APP's auch wieder auf die Daten des internen GPS-Bausteins zurückgreifen zu können, ist über EINSTELLUNGEN eine Liste der aktuell ausgeführten Programme zu suchen. Bei der von mir benutzten ANDROID-Version war dazu der ANWENDUNGSMANAGER  aufzurufen. Hier konnte dann die APP: "BLUETOOTH GPS MOUSE" gefunden und ihre Ausführung über den Befehl "STOP ERZWINGEN" beendet werden ( Die APP ist dabei aber möglichst nicht versehentlich zu deinstallieren ).   

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Sollte eine LoRa-Übertragung einmal nicht wie gewünscht funktionieren, kann es sehr hilfreich sein, sich einmal das HF-Signal der Aussendung anzuschauen. Dazu hervorragend geeignet sind die für wenig Geld erhältlichen RTL-SDR-Sticks in Verbindung mit Windows-Programmen wie z.B. SDRSharp. Abb.14 zeigt dazu ein Beispiel.

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Damit via LoRa ankommende Informationen auch dann nicht verloren gehen, wenn aktuell keine Bluetoothverbindung zum auswertenden Smartphone besteht, kann der serielle Datenausgang des verwendeten DRF-Moduls parallel auch noch an ein kleines Mikrocontrollermodul mit angeschlossenem TFT-Display geführt werden. Diese Anordnung ermöglicht das Festhalten jeweils zuletzt eingetroffener Textinformationen in Scrolldarstellung [7] .

Eine selbsterstellte ANDROID-App verarbeitet via Bluetooth zugeführte GGA-Protokolldaten mit Darstellung von Positions- und Höhenwerten. Darüberhinaus lassen sich unter Hinzuziehung der Daten des im Smartphone integrierten GPS-Bausteins auch die Werte von Distanz und Richtung beider Einheiten zueinander berechnen und anzeigen. Auf Wunsch lassen sich diese Ergebnisse dabei auch im Sprachformat ausgeben.

Nur eine Idee, aber vielleicht Wert, dass einmal ernsthaft darüber nachgedacht wird: Eine mögliche Verwendung von LoRa für EME-Funkverbindungen.

[1]  http://www.kh-gps.de/lora.htm
[2]  http://www.kh-gps.de/lora_bt.htm
[3]  http://www.kh-gps.de/loratext.htm
[4]  http://www.dorji.com/docs/data/DRF1278DM.pdf
[5]  http://www.dorji.com/products-detail.php?ProId=34
[6]  http://www.kh-gps.de/tritest_4.zip
[7]  http://www.kh-gps.de/mini_terminal.htm
[8]  http://www.kh-gps.de/lora_schalt2.htm