LoRa-Gateway mit RAK831-Modul auf Raspberry Pi 3 bauen – Schritt-für-Schritt-Anleitung

Diese Anleitung führt Sie durch jeden Schritt, um ein RAK831 LoRa-Gateway-Modul auf einem Raspberry Pi 3 mit WLAN als Backhaul in Betrieb zu nehmen.

Einführung

Entwickelt für Entwickler, die ein individuelles LoRa-Gateway erstellen möchten, setzt dieses Tutorial grundlegende Vertrautheit mit dem Raspberry-Pi-Ökosystem, seinen GPIO-Pins und dem darauf laufenden Debian-basierten OS voraus. Legen wir los.

Was ist LoRa?

LoRa Alliance™-Technologie treibt LoRaWAN™ an – eine Low-Power Wide-Area Network (LPWAN)-Spezifikation, die batteriebetriebene IoT-Geräte auf regionaler, nationaler oder globaler Ebene unterstützt. LoRaWAN bietet sichere, bidirektionale Kommunikation, Mobilität und Ortungsdienste, die den Kernanforderungen moderner IoT-Implementierungen entsprechen.

Die obige Abbildung veranschaulicht die Schlüsselkomponenten eines LoRa-Netzwerks. Hier sind die wichtigsten Aspekte:

Hauptmerkmale der LoRa-Technologie und des LoRaWAN-Protokolls

• Geolokalisierung: GPS-freies, stromsparendes Tracking für mobile Assets.
• Niedrige Kosten: Reduziert Infrastruktur-, Betriebs- und Sensorkosten.
• Standardisiert: Globale Interoperabilität beschleunigt die Einführung.
• Niedriger Stromverbrauch: Für Batterien mit bis zu 20 Jahren Laufzeit ausgelegt.
• Große Reichweite: Eine einzelne Basisstation erreicht ländliche Gebiete bis zu 30 Meilen und durchdringt dichte urbane und Indoor-Umgebungen.
• Sicher: Integrierte AES-128-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.
• Hohe Kapazität: Unterstützt Millionen Nachrichten pro Basisstation, ideal für öffentliche Netzbetreiber.

Der RAK 831 ist ein LoRa-Radio-Frontend. Er empfängt eingehende LoRa-Pakete und leitet sie an ein Host-System weiter – wie einen Raspberry Pi 3 –, der den RAK 831 auch zum Senden anweisen kann. In diesem Tutorial ist der Pi das Host-Board, das den RAK 831 steuert.

Backhaul-Auswahl

Backhaul bezeichnet die Internetverbindung, die Ihren Raspberry Pi mit dem größeren Netzwerk verbindet. Dieser Leitfaden fokussiert sich auf WLAN, aber Ethernet oder 3G/4G sind ebenfalls möglich. Wenn ein Ethernet-Port verfügbar ist, wird er bevorzugt, da er das zusätzliche Funksignal im Gehäuse eliminiert, das Rauschen verursachen kann. In rauschenden Umgebungen kann die Software kompensieren, aber eine saubere Verbindung verbessert immer die Zuverlässigkeit. Für WLAN einen Dongle mit externer Antenne verwenden und die Antenne außerhalb des Gehäuses platzieren.

Hardware einrichten

Bevor Sie ein Gerät einschalten, konfigurieren Sie Raspberry Pi und RAK 831 wie folgt:

Raspberry Pi

1. Raspberry Pi 3 besorgen und eine 8-GB-microSD-Karte mit Raspberry Pi OS (ehemals Raspbian) flashen. Vorgefertigte „Noobs“-Karten sind erhältlich, oder Sie folgen dieser Anleitung zum Flashen des OS.
2. 5-V-, 2-A-Netzteil anschließen. Der RAK 831 kann bei Spitzenübertragung bis zu 700 mA ziehen, daher ist ein robustes Netzteil essenziell.

RAK 831

1. Die mitgelieferte Antenne an den Schraubanschluss anschließen – dieser Schritt ist obligatorisch.

Verbindungsdetails

Die folgende Tabelle zeigt, wie der RAK 831 mit dem Raspberry Pi 3 verdrahtet wird. Für den Pi-Pinout siehe diese Dokumentation.

Hinweise

• Der Reset-Pin kann an jeden freien GPIO angeschlossen werden.
• Stromversorgungspins prüfen, um Beschädigung des RAK 831 zu vermeiden.

SPI aktivieren

Die SPI-Schnittstelle ist standardmäßig deaktiviert. Aktivierung über:

1. sudo raspi-config ausführen.
2. Zu Advanced Options → SPI navigieren und bei der Aufforderung zur Aktivierung von SPI und Laden des Kernelmoduls Yes wählen.
3. Beenden und neu starten.

Nach dem Neustart die Schnittstelle prüfen:

> ls /dev/*spi* /dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1

Dies sind die SPI-Geräte für Chip-Enable-Pins 0 und 1.

Stromversorgungsoptionen

Da Funkmodule oft mehr Strom ziehen als die Pi-Versorgungspins liefern können, haben Sie zwei Optionen:

• Pi's 5-V-Schiene für beide Geräte nutzen.
• Separate 5-V-Schienen für Pi und RAK 831 bereitstellen.

Software-Installation

Auf dem Raspberry Pi folgende Schritte ausführen:

• SPI aktivieren (wie oben beschrieben) und Dateisystem erweitern (Advanced options → Expand filesystem).
• System aktualisieren und git installieren:

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install git

• WLAN konfigurieren durch Bearbeiten von /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf:

network={
 ssid="The_SSID_of_your_wifi"
 psk="Your_wifi_password"
 }

• Installer klonen und mit dem spi-Branch ausführen:

git clone -b spi https://github.com/ttn-zh/ic880a-gateway.git ~/ic880a-gateway
cd ~/ic880a-gateway
sudo ./install.sh spi

• Während der Installation Remote-Konfiguration aktivieren, falls gewünscht. Das Skript zeigt die Gateway-EUI an – notieren Sie diese für spätere Schritte.

Falls Sie Remote-Konfiguration gewählt haben, erstellen Sie eine JSON-Datei, benannt nach Ihrer Gateway-EUI (z. B. B827EBFFFE7B80CD.json), im gateway-remote-config-Repository. Repository forken, Datei hinzufügen, committen und Pull Request erstellen. Beispielkonfiguration:

{
 "gateway_conf": {
 "gateway_ID": "your_gateway_EUI_here",
 "servers": [
 {
 "server_address": "your_router_address_here",
 "serv_port_up": 1700,
 "serv_port_down": 1700,
 "serv_enabled": true
 }
 ],
 "ref_latitude": your_latitude,
 "ref_longitude": your_longitude,
 "ref_altitude": 40,
 "contact_email": "your_email@example.com",
 "description": "short description"
 }
 }

Für gültige Serveradressen siehe The Things Network Wiki.

Standardmäßig ändert der Installer den Pi-Hostnamen zu ttn-gateway, um Kollisionen zu vermeiden. Dies können Sie überschreiben, falls Sie einen eigenen Namen bevorzugen. Nach Installation am folgenden Tag neu starten, um sicherzustellen, dass die JSON-Datei korrekt heruntergeladen wird.

global_config.json nach Bedarf anpassen. Für US-Deployments die Datei unter US-global_conf.json bearbeiten. Falls Sie den mp_pkt_fwd-Forwarder bevorzugen, folgen Sie den Anweisungen unter diesem Repository und kopieren Sie die aktualisierte global_conf.json nach der Kompilierung in den bin-Ordner.

Konfigurierbare Einträge in global_conf.json

Nach der Installation enthält die Datei ./bin/global_conf.json mehrere Abschnitte, die Sie möglicherweise anpassen müssen:

1. Radio-Einstellungen (radio_0 oder radio_1) – Frequency und min/max Sweep-Parameter anpassen.
2. Gateway-Identität – gateway_ID oder Gateway-EUI aktualisieren.
3. Server-Ports – serv_port_up und serv_port_down zusammen mit Ihrer Serveradresse modifizieren.

Mit diesen Schritten sollte Ihr RAK 831 LoRa-Gateway voll funktionsfähig sein, bereit zum Senden und Empfangen von Daten über Ihren gewählten Backhaul.