Workshop Nucleon BaseNode bauen

Im Rahmen unseres Grundlagen Workshops im November 2018 haben wir auch den Nucleon BaseNode gebaut, um auch etwas in der Hand zu haben und nicht nur trockene Theorie vorgetragen zu bekommen.

Der Nucleon BaseNode besteht aus einer Grundplatine die von Wijnand erstellt worden ist. Einem Arduino 328 mini pro 3,3V/8MHz so wie dem LoRa Modem RFM95W von HOPERF.  Als Stromversorgung wird ein LiPo Akku genutzt der über ein kleines Lademodul angeschlossen ist. Damit wir nicht nur die Basis Funktionalität haben und auch ein wenig Daten erfassen können ist ein BME280 Sensor von Bosch verbaut worden. Noch ein kleines Gehäuse und einige Kleinteile, die in der Materialliste aufgeführt sind komplettieren den Node.

1. Energie sparen, dem Arduino die Power LED entfernen

Der Arduino kommt mit einer hübsch leuchtenden Power LED daher, die aber so überhaupt nicht in ein Low-Power Projekt passen möchte. Also bauen wir sie vorsichtig mit dem Lötkolben und der Spitze einen kleinen Schraubendrehers aus.

2. LoRa Modem einbauen

Da es gleich recht eng wird sollten wir als erstes das LoRa Modem RFM95W einbauen. Dazu kommt rechts oben ein wenig Lötzinn auf den Kontakt und dann wird das Modem an diesem Kontakt ausgerichtet. Kurz mit der heißen Lötspitze den Kontakt erwärmen und das Modul ist fixiert. Nun kontrollieren wir ob alle Kontakte sauber passen und überall noch etwas vom Kupfer der Leiterbahn zu sehen ist. Wenn alles passt wird der linke untere Lötpunkt verlötet und dann der Reiche nach alle Punkte. Wir achten wieder darauf das die Bauteile nicht überhitzt werden, lieber eine kleine Pause machen so das die Bauteile abkühlen können. Sollten sich Kurzschlüsse beim verlöten der Kontakte eingeschlichen haben hilft ein wenig Entlötlize um das überflüssige Lötzinn aufzunehmen.

3. Kontakte auf das PCB montieren die den Arduino aufnehmen werden

Die beiden Stiftleisten so wie die Einzelkontakte für A4 und A5 werden als erstes auf der Grundplatine eingesetzt, die lange Seite der Stifte kann ohne Probleme durch die PCB gesteckt werden und nach dem verlöten auf der Rückseite dann gekürzt werden. Der Arduino 328 mini pro kann zur Stabilisierung der Kontakte auch schon aufgesteckt werden. Nun werden die 26 Stifte auf beiden Seiten, nacheinander verlötet. Achtet darauf das ihr nicht zu viel Lötzinn verwendet und so Kurzschlüsse zwischen den Stiften entstehen. Nur soviel Lötzinn nutzen das es eine flache Lötstelle ergibt. Dabei achtet ihr darauf, das die Bauteile nicht zu warm werden.

4. Antennenstecker oder Helix Antenne montieren und die Lötbrücke nicht vergessen

Wird eine SMA Buchse eingebaut ist die 2. Möglichkeit für die Lötbrücke zu wählen:

5. Stromversorgung

Wir nutzen für den Node eine LiPo Zelle so zwischen 700 und 1300 mAh.
Auf dem Node werden die die beiden Drähte der Buchse des JST Kabels verbaut, so das rot mit VCC und schwarz mit GND verbunden sind. Alternativ können wir auch gleich noch einen Laderegler mit verbauen so das der Akku mittels USB direkt am Node geladen werden kann. Als Laderegler verwenden wir einen TP4056 der mittels Micro USB den Akku mit ca. 1A Strom laden kann. Achtet bei der Akku Auswahl darauf das der 1C Wert passt, die 700 mAh LiPos sind ein wenig zu klein dafür, das wird deren Lebenszeit wahrscheinlich nicht sehr zuträglich sein.

6 Sensor einbauen

Dein gewählten Sensor können wir mit vier Drähten (GND, VCC, SDA, SCL)an der auf der Kontaktleiste herausgeführten I2C Schnittstelle anschließen. Bei dem hier verwendeten BME280 sollte der Sensor im Gehäuse so angebracht werden das er möglichst direkt mit der Außenluft in Berührung kommt und nicht das Innenklima der verwendeten Dose misst. Denn die Luftfeuchtigkeit innerhalb der Dose liegt immer über den realen Außenwerten, das verfälscht die Messwerte deutlich nach oben. Eine von mir gewählte Variante ist ein passendes Loch in der Dose so das der Sensor nach außen schauen kann. Ich werden aber auch noch einen Sensorträger ausprobieren den man bei Ali Express bestellen kann, dieser wird dann an das gewählte Gehäuse angebracht und nimmt den Sensor auf. Wasserdicht aber die Luft durchlässig.

7. Software aufspielen

Da die Sketche für unsere Nucleon BaseNodes alle schon vorbereitet im Gitlab liegen ist das aufspielen der Software einfach.

1. Jeder Teilnehmer hat schon vor dem Workshop einen Zugang zum TTN eingerichtet.
2. Die User werden nun in der Nucleon Wetter Application als Collaboratoren eingetragen.
3. Nun werden die neue Nodes in der Application eigerichtet, um es ein wenig einfacher zu machen werden die Nodes zur Zeit als ABP Nodes erstellt.
4. Die Werte für Device Address, Network Session Key und App Session Key werden in den Sketch übernommen.
5. Der Node wird mit einem FTDI mit dem Laptop verbunden und die Software auf den Node übertragen.
6. Fertig

8. Testen

Alle erstellten Nodes beginnen sofort ihre Messwerte an das TTN zu übertragen. Die Applikation hat schon den passenden Decoder unter Payload Formats eingerichtet so das die Daten gleich ordentlich als Payload Felder bereit stehen. Der Payload Decoder liegt dem Sketch im Kopf der Datei bei und muss eigentlich nur in das TTN übertragen werden. Damit ist der einfache Nachbau gewährleistet. Der Dekoder wird Stück für Stück erweitert wenn wir weitere Sensoren erfolgreich getestet haben. Definiert sind zur Zeit schon über 10 Unterschiedliche Sensoren, die wir aber noch nicht alle in fertige Sketche verpackt haben.

Die Auswertung der Daten erfolgt mittels eines Node-RED Flows welcher die Messwerte in die InfluxDB von Nucleon überträgt. Zur Visualisierung dieser Daten greift ein Grafana Dashboard auf die Datenbank zu und malt schöne Grafiken.

Die Anleitung zur Aufbereitung der Daten folgt in einem weiteren Artikel hier im Blog

Links zu weiteren Artikeln zum BaseNode http://iot-usergroup.de/projekte/der-sketch-fuer-den-nucleon-basenode/(öffnet in neuem Tab)