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Sebastian Müller edited this page May 7, 2018 · 1 revision

Es gibt eine Reihe von Gründen, weshalb man einen Feinstaubsensor per TTNanschliessen möchte und nicht per WLAN. So kann die interessante Stelle zwar über eine Steckdose verfügen, aber vielleicht über kein (zugängliches) WLAN. The Things Network ist eine diskriminerungsfreie und für die Nutzer kostenfrei nutzbare Umsetzung des LoRaWan Standard. Es gibt in immer Städten Enthusiasten, die solche Netze aufbauen und sich über sinnvolle Nutzungen freuen.

Das offene Netzwerk von TTN basiert auf Lorawan (Long Range Wide Area Network): ein Übertragungsprotokoll, auf das sich die Industrie geeinigt hat, um das «Internet der Dinge» voranzubringen. Mit Lora-Standard lassen sich Informationen mit sehr wenig Energie und über nicht exklusiv verteilte Funkfrequenzen weiterleiten. Jeder darf ein solches Netzwerk aufsetzen, ohne Gebühren entrichten zu müssen.

Wir arbeiten bei unserem Projekt mit Luftdaten.info zusammen, die über 4000 Feinstaubsensoren weltweit in einem Bürger-Wissenschafts-Projekt eingebunden haben. Auf deren Website findest du auch alle Informationen (Bestellliste, Bastelanleitung), wenn du einen Feinstaubsensor per WLAN ins Internet bringen willst (Kosten etwa 40EUR).

In unserer Anleitung für einen LoRa-Feinstaub-Sensor findest du:

  • Einkaufsliste
  • Zusammenbau der Elektronik
  • TTN App registrieren auf TTN
  • Firmware einspielen (Arduino IDE)
  • Messstation fertigstellen
  • Konfiguration der Messstation bzw. Anmelden bei feinstaub.info
  • Verschiedenes
  • Fragen und Anregungen

Einkaufsliste

Wir haben hier immer auf den chinesischen Versender "AliExpress" verlinkt um die Teile zu bestellen. Es ist auch möglich diese Teile in Deutschland im Versandhandel zu bestellen, dann aber mit deutlichen höheren Preisen. AliExpress liefert zuverlässig und bis die Teile ankommen vergehen etwa sechs Wochen. Ist die einzelene Bestellung unter 22 Euro Warenwert, fält keine Zollumsatzsteuer an. Die LoRa Sachen kommen von SOS Elektronik aus der Tschechei.

Gebraucht werden:

Bitte die Liste prüfen ob so in Ordnung

  • Lolin 32 ESP
  • Lora board - RFM95, darauf achten die Version für Europa zu bestellen - etwa von Ali Express:
  • Lora Antenne - Hier gibt es die billige und die ganz billige (Drahtantenne)Version die man direkt an den RFM95 löten kann oder die Version aus Deutschland.
  • Für diese braucht man dann auch noch einen Antennenstecker und man kann sich die Löterei einfacher machen wenn man den RFM95 vorher auf einen Shield lötet.
  • SDS011 Feinstaub Sensor - der Feinstaubsensor.
  • BME 280
  • Käbelchen
  • USB Flachband Stromkabel, achten sie auf die Länge, den Anschluß (Mirco USB) und ob das Kabel wirklich flach ist.
  • USB Ladegerät. Jedes Handyladegerät mit USB Anschluss und mindestens XXX mA geht. Vielleicht haben Sie noch eines rumliegen. Wenn nicht raten wir zum Einkauf in ihrem lokalen Fachhandel, es ist das einzige Gerät das mit dem Netz verbunden sein muß.
  • Kabelbinder
  • Schlauch, möglichst nicht transparent, Innen-Durchmesser 6 mm, Länge ca. 20cm (Baumarkt)
  • Wetterschutz, Marley Silent HT Bogen (DN 75 87°). Kann man auch direkt im Baumarkt kaufen, bei größeren Mengen empfiehlt sich Vorbestellung.

Zusammenbau der Elektronik

Unsere Anleitung bezieht sich auf den WeMos Lolin32 (ESP32 based board). Der Mikorocontroller ist das Herzstück der Installation und wird mit den folgenden peripheren Geräten verbunden:

  • Feinstaubsensor SDS011
  • Temperatur/Feuchtigkeit/Drucksensor BMP280
  • LoRaWAN Modul RFM95

Wiring Diagram

Anschluss SDS011

  • D16 -> TX
  • D17 -> RX
  • GND -> GND
  • 5V -> 5V

Anschluss BMP280

  • D21 -> SDA
  • D22 -> SCL
  • GND -> GND
  • 3V3 -> 3V3

Anschluss RFM95

  • D13 -> RST
  • D5 -> nSS
  • D18 -> SCK
  • D23 -> MOSI
  • D19 -> MISO
  • D12 -> DIO0
  • D14 -> DIO1
  • D27 -> DIO2
  • GND -> GND
  • 3V3 -> 3V3

TTN Registrierung

Für das Lora-Feinstaubsensorbasteln wurde bereits eine gemeinsame Anwendung erstellt, damit du sie verwenden kannst, mußt du in dieser als Collaborater eingetragen sein. Wenn du diese noch nicht siehst, sende bitte eine Email mit deinem Account Namen von The Things Network an sbamueller@gmail.com, er trägt dich dann in die Freiburger Feinstaub Application ein.

Wenn du nicht in Freiburg wohnst, dann Frage deine lokale TTN Community, um App Collaborator zu werden. Mit dem Klicken auf diesen Link kommst du direkt in die Freiburger Application, wenn du sie nicht siehst, bist du nicht als Collaborator eingetragen. https://console.thethingsnetwork.org/applications/feinstaub-freiburg.

In diesem Fall kannst du alles bis zur Überschrift Sensor hinzufügen* überspringen.

Natürlich kannst du auch eine eigene Anwendung erstellen und darin deine Sensoren verwalten. Beachte, dass du dann auch die Weiterleitung der Daten vom Backend des TTN Servers an den Luftdaten.info Server selber organisieren musst. Dazu existiert bereits ein NodeRED Flow im GitHub, den du auf deinem eigenen Server laufen lassen kannst.

Applikation hinzufügen (optional, nur wenn du nicht die Feinstaub-freiburg Anwendungen nutzen willst/kanst)

Wenn du in Freiburg bist, brauchst du das nicht, dann gehe direkt zu Sensor hinzufügen.

Gehe dann auf "Applications".

https://raw.githubusercontent.com/iot-basel/ttn-basel-feinstaub/master/wiki/TTN-applications.jpg

Klicke auf https://raw.githubusercontent.com/iot-basel/ttn-basel-feinstaub/master/wiki/TTN_add_application.jpg und gebe folgende Anwendungsdaten ein:

  • Application ID - z.B. feinstaub-freiburg (der Name ist gleichzeitig die Anwendungs ID und muss daher einmalig sein, deshalb nicht feinstaub-freiburg, weil die gibt es schon!)
  • Description - irgend eine Beschreibung
  • Handler registration - einfach so lassen (ttn-handler-eu)

Dann unten rechts "add application" drücken. Wenn es funktioniert kommst du auf eine neue Seite.

(Wenn du in Freiburg bist, dann kanns du alles bis hier überspringen und direkt zu Sensor hinzufügen*)

Sensor hinzufügen

Du siehst bei "Applications" eine Application "feinstaub-freiburg" (oder halt anders, wenn du eine eigene Application nutzt), klicke darauf und gehe zum Reiter "Devices". Im Reiter "Devices" auf "register devices" klicken.

Devices

Klicke auf Register Device und gebe die folgenden Gerätedaten ein:

  • Device ID - Deine Geräte ID (ohne Abstände und alles klein), z.B. "feinstaubsensor-hans-muster"
  • Device EUI - Falls du die Device EUI kennst, kannst du sie hier eingeben. Für das Feinstaubsensorbasteln erzeugen wir diese hier zufällig und hinterlegen sie später in der Anwendung, die auf den Lolin32 drauf kommt. Klicke also auf den Button Generate Key , damit TTN für dich die Device EUI generiert.
  • App Key - kannst du überspringen (wird automatisch generiert)
  • App EUI - kannst du überspringen (wird automatisch generiert)

(Diese AppEUI und AppKey am besten auf deinem PC speichern, etwa in Textdatei, wir brauchen sie gleich)

=> Klicke nun auf "Register"

Schlüssel kopieren

Nun benötigen wir die folgenden Schlüssel, um mittels Over The Air Activation (OTAA) später mit dem TTN Netzwerk kommunizieren zu können:

  • Device EUI - diese rüberkopieren im Format lsb. Auf den <> Knopf klicken bis die Daten als { 0x00, 0x53... angezeigt werden, dann Knopf mit den Pfeilen drücken bis lsb angezeigt wird
  • Application EUI - diese rüberkopieren im Format lsb. Auf den <> Knopf klicken bis die Daten als { 0x00, 0x53... angezeigt werden, dann Knopf mit den Pfeilen drücken bis lsb angezeigt wird
  • App Key - diese im Format msb rüberkopieren. Auf den <> Knopf klicken, die Daten werden sofort als msb angezeigt. Diese Schlüssel müssen im Quellcode an der entsprechenden Stelle eingefügt werden (siehe weiter unten).

Firmware einspielen (Arduino IDE)

Die Arduino Software herunterladen & auf dem Computer installieren: https://www.arduino.cc/en/Main/Software

Da wir mit dem ESP32 board arbeiten, musst du zusätzlich die Arduino Erweiterung herunterladen und installieren. Eine Anleitung gibt's hier: arduino-esp32

Installiere im minimum die folgenden Bibliotheken (Libraries):

  • LMIC 1.5.0 from Matthijs Kooijman
  • Adafruit_Sensor & Adafruit_BME280

Kopiere nun den Code von Urs: particulate_matter_ESP32-DOIT_SDS011_BME280_DHT22_OTAA.ino

Erzeuge im Verzeichnis, wo du den Code abspeicherst ein h-File (z.B. otaa.h) und kopiere aus dem Code von Urs die Stelle für die OTAA Aktivierung (u.a. sind die drei Keys APPEUI, DEVEUI und APPKEY enthalten)

static const u1_t PROGMEM APPEUI[8]={ 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xD5, 0xB3, 0x70}; static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8]= {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };

Ersetze die entsprechenden Keys mit den vorhin kopierten Keys aus deinen Geräteinformationen aus der TTN Console. Achtung: APPEUI und DEVEUI sind im little-endian Format. Die Bytes müssen also umgedreht werden (vorne ist hinten).

Im Code von Urs ist sehr viel dokumentiert. Achte darauf, dass die korrekten Eigenschaften auskommentiert bzw. kommentiert sind, bevor du den Code für die Architektur des Lolin32 kompilierst.

Messstation fertigstellen

Aufhängen

Hängen sie die Meßstation an einer möglichst schattigen und Wettergeschützten Stelle auf. Machen Sie diese so fest, das sie ihrem Nachbarn nicht auf den Kopf fallen kann. Die offenen Enden des Rohres sollten nach unten zeigen. GGf. können sie die Enden mit Netz oder ähnlichem verschliessen, so dass keine Tiere hineinkrabbeln. Führen sie das USB Flachkabel nach Innen. Das Kabel ist so konzipiert, dass das Fenster oder die Tür auch schliessen können.

Konfiguration der Messstation bzw. Anmelden bei feinstaub.info

Damit der Sensor Teil des Netzwerkes wird, brauchen die Luftdaten.info Leute noch einige Angaben.

Email an rajko@codefor.de mit den Daten:

  • deine Device EUI aus der TTN Anwendung (Hinweis: Die NodeRED Anwendung fügt das Präambel 'fr-' hinzu). Beispiel: fr-00ED51071ACFE321
  • deine Adresse: Strasse mit Hausnummer, PLZ und Ort –> wir machen daraus deine Koordinaten (werden nur gerundet herausgegeben)
  • die Umgebung der Station – z. B. Höhe über Grund, Strassenseite, hohes Verkehrsaufkommen, freies Feld oder ähnliches
  • deine Emailadresse (wird nicht veröffentlicht)
  • wenn möglich ein Bild, wo der Sensor hängt – wird nicht veröffentlicht

Wer diese Daten lieber verschüsselt übertragen möchte, kann dafür den passenden PGP-Schlüssel B1B3DC43 nutzen. Es kann vorkommen, das die E-Mail mit der Anmeldung als Spam eingestuft wird. Dann kann es etwas länger dauern, bis der Sensor angemeldet wird.

Du erhälst dann von Rajko eine Email zurück mit der Nummer deines Sensors. Dann kannst du auf maps.luftdaten.info deinen Sensor sehen oder auf http://feinstaub.rexfue.de/ deinen Sensor genau beobachten. Das System schickt dir auch eine Nachricht, wenn dein Sensor mehr als 24h nicht in Betrieb war.


Ab hier ist die eigentliche Anleitung vorbei, wir haben haben aber noch ein paar gute Hinweise dazu gepackt.

Verschiedenes

Dieses Projekt wurde von der Badenova im Rahmen ihres Industrienetze 4.0 Vorhabens gefördert. Betrieb auf eigene Verwantwortung. Es handelt sich um ein Versuch- und Bastelgerät für Experten und kein Konsumentengerät. Diese Dokumentation wurde von Lukas Haas und Sebastian Müller erstellt.

Fragen und Anregungen

Wenn du Fragen oder Anregungen hast, wende dich bitte an: Sebastian Müller, sbamueller@gmail.com, @sbamueller

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