TTN Network Tester – M5Stack LoRa 868

Ich hatte bereits vor längerer Zeit meinen TTN Network Tester, auf Basis des M5Stack vorgestellt. Das damals verwendete LoRaWAN-Modul ist EOL und somit nur noch sehr vereinzelt verfügbar. Als Nachfolger ist das LoRa 868 erhältlich, welches ich auch bereits mit dem M5Stack verwendet habe.

Da beide Module sich in der Ansteuerung gänzlich unterscheiden, musste ich auch das Projekt, jedenfalls was die LoRaWAN Thematik angeht, komplett umbauen. Der treibende Anstoß kam durch Michael, der mir sogar ein Modul spenden wollte.

Das größte Problem war es die Funktionen wieder komplett einzubauen, da die aktuelle MCCI LMIC den LinkCheckReq nicht auswertet. Dank der Vorarbeit von Oliv, ging es jedoch zügiger als gedacht und ich konnte alles auf die neue Hardware übertragen. Somit kann ich euch nun die überarbeitet Variante präsentieren.

Allgemeine Übersicht des TTN Network Tester

Die Basis bildet eine M5Stack Core oder Fire zusammen mit dem LoRa 868 Modul. Zusätzlich kann das GPS-Modul und die M5GO Base verwendet werden. Mit dem Faces unterbau funktioniert es nicht, da dieser den Pin 5 für den Interrupt nutzt, jedenfalls alle Tastaturen. Für das GPS-Modul könnt ihr die interne oder externe Antenne verwenden, beides funktioniert. Die Externe ist besser, aber die interne liefert auch gute Werte. Es ist ebenfalls möglich das GPS Mini Unit zu verwenden und über den Port C der M5GO Base anzuschließen. Ebenfalls solltet ihr noch eine SD Karte frei haben, den der Node benötigt diese um den ABP Frame Counter zu speichern und legt dort auch einen GPX-Track, bzw. die Daten der SiteSurvey ab.

Vorbereitungen

Bevor ihr starten könnt, müsst ihr euch noch mit den nötigen Libraries versorgen. Diese wären:

• M5Stack
• TinyGPSPlus
• NeoPixelBus
• M5_UI – Dieser Fork erlaubt es die Farben der Progressbar wie beim TTN Mapper darzustellen
• MCCI Arduino LMIC – Dieser Fork ermöglicht den LinkCheckRequest um die Anzahl der empfangenen Gateways wiederzugeben

Neben der Software müsst ihr auch die Hardware anpassen werden. DIO1 des Ra-01H ist nicht verbunden und muss somit noch auf den M-Bus gelegt werden. Diesen verbinden ihr einfach mit Pin35 des Busses.

In einer vorherigen Version des Beitrags, habe ich die Brücke auf die Lötpads an M-Bus Pin 35 gelegt, dieses ist falsch. Die rechte Seite des Lötpads ist mit DIO0 verbunden. Somit kann über den 0 Ohm Widerstand gewählt werden ob DIO0 mit Pin 36 (default) oder 35 verbunden ist. Das gleiche gilt für Pin 26/25 und Reset. Dadurch habe ich also eine Verbindung zwischen DIO0 und DIO1 erzeugt. Ich habe die Brücke nun direkt an den M-Bus Connector gelötet. (Danke an Andreas D. für den wichtigen Hinweis).

Somit entfällt der #define LMIC_USE_INTERRUPTS in der lmic_project_config und das Pin-Mapping muss angepasst werden.

Für Module vor Dezember 2020:

// Pin mapping
const lmic_pinmap lmic_pins = {
  .nss = 5,                       
  .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
  .rst = 36,                       
  .dio = {26, 35, LMIC_UNUSED_PIN}, 
};

Für Module ab Dezember 2020:

// Pin mapping
const lmic_pinmap lmic_pins = {
  .nss = 5,                       
  .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
  .rst = 26,                       
  .dio = {36, 35, LMIC_UNUSED_PIN}, 
};

Die Software

Die Software findet ihr auf GitHub.

Konfiguration des TTN Network Tester

Wir starten mit der Anpassung der LMIC Library. Dazu editiert ihr bitte die lmic_project_config.h (zu finden unter Arduino/libraries/MCCI_LoRaWAN../project_config). Für unsere Region sollte es so aussehen:

  #define CFG_eu868 1
  #define CFG_sx1276_radio 1
  #define LMIC_USE_INTERRUPTS

Dur Auskommentieren folgender Zeilen, könnt ihr die Benutzung des GPS-Moduls, bzw. der M5Go Base, deaktivieren.

#define M5go
#define M5gps

Unter //LoRaWAN ABP, bzw. //LoRaWAN OTTA, tragt ihr eure Keys ein. Solltet ihr also ABP und OTAA nutzen wollen, müsst ihr auch zwei Devices anlegen, jeweils eine ABP und OTAA Device. Der Tester nutzt generell nur ABP, bietet aber einen kleinen OTAA Mode.

Besitzer eines M5Stack Fire müssen unbedingt den PSRAM deaktivieren, da dieser mit dem GPS-Modul kollidiert. Das GPS Modul verwendet im Default UART2 mit GPIO 16 und 17, genau wie der PSRAM.

Wenn ihr das GPS Modul verwendet und ebenfalls die TTN Mapper Integration nutzen wollt, müsst ihr noch folgenden Payload Decoder einrichten:

function Decoder(b, port) {

  var lat = (b[0] | b[1]<<8 | b[2]<<16 | (b[2] & 0x80 ? 0xFF<<24 : 0)) / 10000;
  var lon = (b[3] | b[4]<<8 | b[5]<<16 | (b[5] & 0x80 ? 0xFF<<24 : 0)) / 10000;
  var alt = (b[6] | b[7]<<8 | (b[7] & 0x80 ? 0xFF<<16 : 0)) / 100;
  var hdop = b[8] / 10;

  return {
    
      latitude: lat,
      longitude: lon,
      altitude: alt,
      hdop: hdop
    
  };
}

Die Anzeige für die Anzahl der gesendeten Pakete ist per Default auf den Framecounter gesetzt. Somit startet ihr also nicht bei 0 nach jedem Reset. Ihr könnt das Verhalten anpassen, in dem ihr folgende Zeilen anpasst:

//txcnt = String("Sent " + String(cnt));
txcnt = String("Sent " + String(LMIC.seqnoUp - 1));

Bedienung des TTN Network Tester

Der Tester bietet folgende Modi:

• NACK – Der Tester sendet periodisch ohne Bestätigung
• ACK – Der Tester sendet periodisch mit Bestätigung
• MAN – Der Tester sendet bei Bedarf mit Bestätigung
• LCM – Der Tester sendet einen Link Check Request
• SSV – Im SiteSurvey Modus werden alle SF mit einem Link Check Request durchgegangen
• OTAA – Modus zum testen von OTAA Joins
• SET – Modus für Einstellungen

Nach dem Einschalten seht ihr erst den NACK Bildschirm. Sollte ihr das M5 Logo sehen, habt ihr ein Problem. Normalerweise findet er dann nicht das LoRa Modul. Ihr solltet nochmals den festen Sitz der Module überprüfen.

Übersicht über Display und LEDs

Anmerkung: Alle hier dargestellten Bilder, zeigen noch falsche Farben für die Symbole an, dieses ist mittlerweile angepasst.

NACK

Im Modus „NACK“ werden periodisch Uplinks verschickt, mit dem unter Set eingestellten Intervall. Dieser Modus eignet sich hervorragen für die Nutzung mit dem TTN Mapper. Mittels der Taste B könnt ihr den SF wechseln und mit der Taste C wird das Display und die LEDs gedimmt. Ein erneutes Betätigen schaltet sie wieder hell. Solltet ihr die Software mit GPS nutzen, werden erst bei einem Fix Uplinks verschickt.

ACK

Dieser Modus ist wie der zuvor genannte NACK Modus, jedoch werden hier Confirmed Uplinks verschickt, auf welche das TTN Backend antwortet. Der RSSI und SNR Wert, des Empfangenen Pakets, seht ohr dann auf dem Display. Mittels der Taste B könnt ihr den SF wechseln und mit der Taste C wird das Display und die LEDs gedimmt. Ein erneutes Betätigen schaltet sie wieder hell. Solltet ihr die Software mit GPS nutzen, verschickt der Tester erst einen Uplink bei einem gültigen GPS Fix.

MAN

Im manuellen Modus werden Confirmed Uplinks beim betätigen des Taste C verschickt. Auch hier könnt ihr den SF über die Taste B verändern.

LCM

Im LinkCheckMode wird ein Uplink mit LinkCheckRequest verschickt. Als Antwort erhaltet ihr die Anzahl der Gateways, welche euren Uplink empfangen haben. Der Request startet durch Drücken der Taste C. Mit B wechselt ihr den SF.

SSV

Der SiteSurvey Modus ist gedacht um den Standort für einen Node zu bestimmen, bzw. zu analysieren. Der Tester sendet dabei einen Uplink mit LinkCheckRequest für jeden SF von 7 bis 12 und speicher die Daten dann im GeoJSON Format auf der SD Karte ab. Zusätzlich wird im Display angazeigt, bei welcher Datenrate ein Paket empfangen wurde, DR5 steht dabei für SF7 und DR0 für SF12. Ihr startet den Vorgang durch drücken der Taste C.

Mit hilfe der Webseite geojson.io, koönnt ihr die Daten bequem auswerten. Lokationen ohne Empfang werden durch einen roten Leuchtturm markiert. Wo nur mit SF11 oder SF12 ein Empfang gegeben war ist dieser gelb, ansonsten grün.

OTAA

Im OTAA Modus könnt ihr einen Join durchführen. Anschließend wird der Tester im konfigurierten Intervall einen Uplink übertragen. Hier ist es möglich, über die Taste C, zwischen Unconfirmed oder Confirmed Upklink auszuwählen. Sollte kein GPS Fix vorhanden sein, kann über die Taste B ein Paket manuell verschickt werden.

SET

In den Settings kann das Sendeintervall verändert werden. Hier habt ihr die Möglichkeit zwischen 15, 30, 45, 60 und 120 Sekunden zu wählen.Mit der Taste C aktiviert in den PowerSave Modus. Damit geht der Tester in einen DeepSleep und wacht in Abhängigkeit von dem Sendeintervall auf. Aktuell könnt ihr den DeepSleep nur mit einem Reset beenden.

Anmerkungen

• Der DutyCyle check ist, außer im SSV Modus, aktiv
• Sobald ihr einen validen GPS Fix habt, wird der Track als GPX File auf die SD Karte gespeichert
• Periodische Übermittlungen (mit aktiviertem GPS Modul), funktinieren nur mit GPS Fix und einem GPS Alter unter 2 Sekunden

Ich hoffe euch gefällt mein Projekt und ihr könnte den Tester erfolgreich nutzen. Anmerkungen, Bugs und Verbesserungen könnt ihr gerne auf GitHub als Issue einstellen.