In dieser Projektarbeit wird die Entwicklung und Implementierung eines LoRaWAN-Netzwerks zur Überwachung kritischer Umgebungsbedingungen in einer Lagerhalle beschrieben. Der Fokus liegt auf der Erfassung und Übertragung von Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten. Die Konfiguration umfasst mehrere Nodes, die mit HDC1080-Sensoren ausgestattet sind, um präzise Messwerte zu liefern. Diese Daten werden dann in regelmäßigen Intervallen an das The Things Network (TTN) gesendet, dort verarbeitet und über MQTT an ein ESP32-Modul übertragen. Ein wesentlicher Aspekt des Projekts ist auch die Entwicklung eines physischen Geräts, einschließlich eines mit einem Arduino MKR WAN 1310 ausgestatteten Entwicklungsboards und eines benutzerdefinierten, 3D-gedruckten Gehäuses. Darüber hinaus umfasst das Projekt einen Feldversuch zur Ermittlung der Netzwerkreichweite in städtischen Gebieten, was für die praktische Anwendbarkeit des Systems von entscheidender Bedeutung ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung der Projektarbeit
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Arduino MKR WAN 1310
2.2 Sensor HDC1080
2.3 LoRa und LoRaWAN
2.4 The Things Network (TTN)
2.5 MQTT Netzwerkprotokoll
3 Praktische Realisierung
3.1 Verdrahtung
3.2 Verbinden mit TTN
3.3 Sensordaten kodieren
3.4 Payload auf TTN dekodieren
3.5 Flussdiagramm
3.6 Empfangen einer MQTT Nachricht
3.7 Gehäusekonstruktion
4 Feldversuch zur Reichweitenermittlung
4.1 Durchführung des Feldversuches
4.2 Auswertung des Feldversuches
5 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Projektarbeit zielt auf die Entwicklung eines LoRaWAN-basierten Überwachungssystems für Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Lagerhallen ab, um auch an abgelegenen Standorten ohne klassische Infrastruktur eine zuverlässige Datenübertragung zu ermöglichen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der hardwareseitigen Implementierung mittels Arduino, der Anbindung an das The Things Network (TTN) und der Datenvisualisierung via MQTT, ergänzt durch eine Reichweitenanalyse im städtischen Umfeld.
- Hardware-Implementierung eines LoRaWAN-Nodes mit dem Arduino MKR WAN 1310.
- Prozessierung und Kodierung von Sensordaten (HDC1080) für das LoRaWAN-Protokoll.
- Konfiguration von The Things Network (TTN) inklusive Payload-Dekodierung.
- Datenempfang und -verarbeitung über das MQTT-Protokoll auf einem ESP32-Modul.
- Design und 3D-Druck eines funktionalen Gehäuses für den Sensor Node.
- Durchführung und Auswertung eines Feldversuchs zur Reichweitenmessung.
Auszug aus dem Buch
3.3 Sensordaten kodieren
Bevor die Sensordaten zu Payload kodiert werden, sollen diese abgerundet werden: Die Temperatur wird auf eine Kommastelle und die Feuchtigkeit auf ganze Zahlen abgerundet. Dafür kann eine Arduino-Funktion round() benutzt werden. Diese Funktion rundet eine Dezimalzahl auf eine Ganzzahl ab:
float temperatur; int feuchtigkeit; void readSensor() { // z.B 23,62*10 = 236,2 -> abrunden -> 236 und danach durch 10 teilen = 23,6. temperatur = round(hdc1080.readTemperature()*10)/10; feuchtigkeit = round(hdc1080.readHumidity()); // Feuchtigkeit als Ganzzahl }
Damit man keine negative Werte bei der Temperatur hat, wird die Temperatur ins Kelvin umgerechnet. Durch die Multiplikation mit 10 wird der Wert der Temperatur zu einer Ganzzahl. Der so entstandener Wert ist großer als 8 Bit, und wird daher mit 16 Bit übertragen. Die Übertragung zu TTN erfolgt durch ein 8 Bit Array, deswegen wird der Wert der Temperatur aufgeteilt. Das kann mit dem Operator für Bit Shifting (>>) oder durch die Funktionen highByte und lowByte erreicht werden. Danach wird der Port gesetzt und das Payload zu TTN geschickt:
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Herausforderungen der Lagerüberwachung fernab von Infrastrukturen und definiert die Ziele zur Implementierung eines LoRaWAN-Systems.
2 Theoretische Grundlagen: Vermittelt technisches Wissen zu den verwendeten Komponenten wie Arduino MKR WAN 1310, dem Sensor HDC1080 sowie zu den Protokollen LoRaWAN, TTN und MQTT.
3 Praktische Realisierung: Dokumentiert den Aufbau der Hardware, die Verbindungseinrichtung zum Netzwerk sowie die Dekodierung von Sensordaten und das Gehäusedesign.
4 Feldversuch zur Reichweitenermittlung: Führt Tests unter realen städtischen Bedingungen durch und evaluiert die Übertragungsreichweite anhand von RSSI- und SNR-Werten.
5 Fazit und Ausblick: Bewertet das Gesamtergebnis der Arbeit und diskutiert die Notwendigkeit für eigene Gateways sowie zukünftige Skalierungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
LoRaWAN, Arduino, The Things Network, MQTT, Sensorik, HDC1080, Internet of Things, IoT, Gateway, Signalübertragung, Reichweitenermittlung, 3D-Druck, Datenkodierung, Payload-Formatter, ESP32
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines autarken Überwachungssystems für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, das insbesondere in Lagerumgebungen ohne Internetanbindung mittels LoRaWAN betrieben werden kann.
Welche zentralen Themenfelder deckt der Bericht ab?
Die zentralen Felder sind die sensorbasierte Datenerfassung, die Funkkommunikation über LoRaWAN/TTN, das Messaging mittels MQTT sowie das hardwareseitige Gehäusedesign und die Reichweitenanalyse.
Was ist das primäre Ziel des Projekts?
Das primäre Ziel besteht darin, einen funktionsfähigen LoRaWAN-Node aufzubauen, der Sensordaten sicher überträgt und dessen Reichweite unter städtischen Bedingungen empirisch untersucht wird.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Zur Anwendung kommen sowohl eine theoretische Fundierung über bestehende Netzwerktechnologien als auch eine praktische Implementierung (Prototyping) und ein empirischer Feldversuch zur Reichweitenbestimmung.
Was umfasst der inhaltliche Hauptteil?
Der Hauptteil behandelt die detaillierte Hardwareverdrahtung, die Sketche für Arduino und ESP32, die Einrichtung der Anwendung im TTN sowie die Konstruktion eines individuellen Kunststoffgehäuses mit 3D-Druck.
Welche Schlüsselbegriffe sind charakteristisch?
Die Arbeit ist geprägt durch Begriffe wie LoRaWAN, The Things Network, MQTT-Protokoll, Datenkodierung und 3D-Druck-Designprinzipien.
Warum wurde für die Temperaturmessung Kelvin gewählt?
Die Umrechnung in Kelvin wurde durchgeführt, um negative Temperaturwerte beim Kodierungsprozess und der anschließenden Übertragung in einem 8-Bit-Array zu vermeiden.
Welches Fazit zieht der Autor bezüglich der Netzabdeckung?
Die Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass man sich zur Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebs nicht auf fremde Community-Gateways verlassen sollte, sondern ein eigenes Gateway betreiben muss.
- Citation du texte
- Andrej Mironov (Auteur), 2023, Implementierung eines LoRaWAN-Netzwerkes zur Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Lagerhallen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1418112
