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APRScube von DL3DCW
#1
APRScube - Projekt:

Hier mal mein eigenes kleines LoRa-APRS Projekt: Der "APRScube". Er ist als Tracker sowie als Gateway einsetzbar.

   

Die Hardware basiert auf fertigen Modulen der "M5Stack"-Reihe und ist komplett modular aufgebaut. Es gibt eine Menge Zubehör.

   

Tischfuß mit Temperatur- und Feuchtesensor; externer Sensor zusätzlich mit Luftdruck. Übertragung per APRS-Telemetrie.
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#2
APRScube - LoRa-Modul 1W:

Die üblichen LoRa-Module haben meist "nur" 60mW-Ausgangsleistung. Hier ein LoRa-Modul mit 1 Watt (Versuchsaufbau):

   
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#3
APRScube - Komponenten:

Die Minimalversion des "APRScube" besteht aus folgenden Komponenten:
  • M5Stack Core grey - K002
  • M5Stack LoRa 433MHz - M005
Damit ist dann z.B. der Betrieb als LoRa-RxGateway möglich. Für den Betrieb
als Tracker wird noch ein GPS-Modul benötigt wie z.B.
  • M5Stack GPS Module - M003
Das Modul verfügt zwar auch über eine eingebaute GPS-Antenne, diese ist
aber nicht sehr gut. Daher wird auch eine externe Antenne mitgeliefert.

Weiterhin gibt es eine ganze Menge Zubehör wie z.B.
  • M5Stack Stand mit Temperatur/Feuchte - A011-B
  • M5Stack Sensor zusätzlich mit Luftdruck - U001-B
  • M5Stack Battery 700mAh - M002
Das 1 Watt LoRa-Modul gibt es leider nicht fertig zu kaufen. Es lässt sich aber
relativ einfach selbst bauen (siehe oben).
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#4
APRScube - Firmware:

Die derzeit vorhandene Firmware befindet sich in der Entwicklung. Sowohl als Gateway als auch als Tracker läuft der APRScube aber schon sehr zufriedenstellend. Die Konfiguration ist im Moment als INI-Datei auf der SD-Karte abgelegt. Sie kann damit sehr einfach am PC individuell angepasst werden.

Die Verbindung zum APRS-IS wird über das eingebaute WLAN hergestellt. Zwischen Gateway und Tracker kann ganz einfach per Tastendruck umgeschaltet werden. Diese Funktion ist mir relativ wichtig da ich bei Wanderungen in Gebieten ohne APRS-Abdeckung mein Fahrzeug dann als iGate benutzen kann. In dem Fall sorgt ein mobiler LTE-Router für die Netzwerkanbindung.

Zukünftige Firmwareupdates können nach der Erstinstallation via Webinterface hochgeladen werden.
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#5
APRScube - Mein Setup:

Im Moment habe ich zwei Testsysteme des APRScube im Einsatz: Eines läuft als LoRa-RxGate an einem festen Standort und eines ist im Auto montiert. Während die Stromversorgung des RxGates ganz unspektakulär über ein 5V USB-C-Steckernetzteil erfolgt sieht es im Fahrzeug derzeit so aus:

In der Bordspannungsteckdose/Zigarettenanzünder steckt ein 5V-USB-Adapter. Von dort geht es zu einem mobilen LTE-Router (Huawei E5770) und von dort dann zum APRScube. Der LTE-Router verfügt über einen eingebauten 5200mAh-Akku der bei Bedarf auch bei ausgeschalteter Zündung die Stromversorgung des APRScube übernehmen kann.

   

Huawei E5770 LTE-Router mit eingebautem 5200mAh Akku

Mit dem Einschalten der Zündung wird das System automatisch aktiviert und beim Abschalten der Zündung wieder deaktiviert. Der interne Akku des LTE-Routers wird bei eingeschalteter Zündung automatisch geladen. WLAN und Internetverbindung des Routers bleiben in dem Fall ausgeschaltet. Die APRS-Positionsdaten gehen via Funk raus (Mode "RADIO").  Es in dem Fall keinerlei manuelle Bedienung erforderlich. Sämtliche Fuktionen werden allein über das Ein- und Ausschalten der Zündung gesteuert.

Möchte man nun bei ausgeschalteter Zündung den APRScube betreiben braucht man nur die PowerOn-Taste des LTE-Routers zu betätigen. Der APRScube wird dadurch mitgestartet - auch WLAN und Internet werden in dem Fall automatisch aktiviert. Im Mode "RADIO" werden die Positionsdaten weiterhin über Funk; im Mode "NETWORK" über die Internetverbindung übertragen. Zusätzlich werden alle auf Funk empfangenen Pakete ins Internet weitergeleitet.

Schön ist das in diesem Fall nur der Akku des LTE-Routers - nicht aber nicht die Fahrzeugbatterie - belastet wird. Wenn man also einmal vergisst das System abzuschalten kann man das Fahrzeug später trotzdem noch starten. Man kann den APRScube aber natürlich auch ohne LTE-Router direkt über einen 5V-USB-Adapter an der Bordspannungsteckdose/Zigarettenanzünder betreiben. Auch in dem Fall wird dieser automatisch über die Zündung ein- und ausgeschaltet. Das dürfte der häufigste Anwendungsfall sein. Der LTE-Router wird nur benötigt wenn man das (abgestellte) Fahrzeug z.B. auch als iGate einsetzen möchte.

Hinweis: Für das automatische Ein- und Ausschalten des Systems über die Zündung dürfen GND und Schirm des USB-Kabels vom LTE-Router zum APRScube nicht miteinander verbunden sein. Ich habe lange gesucht und mich gewundert warum es mit manchen Kabeln funktioniert und mit manchen nicht. Die Funktionsweise dürfte bei anderen LTE-Routern aber vermutlich abweichen. Mit dem Huawei E5770 klappt es nun wie gewünscht.

Der APRScube verfügt im Moment über ein einfaches "SmartBeaconing". Das bedeutet das der Sendeintervall abhängig von aktuellen Geschwindigkeit automatisch angepasst wird. Bei langsamer Fahrt wird in längeren Abständen und bei schneller Fahrt in kürzeren Abständen gesendet. Zusätzlich gibt es noch die Funktion "ParkBeaconing". Beim Abstellen/Anhalten des Fahrzeuges wird kurz vor dem Abschalten noch einmal die aktuelle (Park-)Position gesendet.
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#6
APRScube - Erstinstallation:

Für die Erstinstallation und zum Betrieb des APRScube sind zwei Dateien erforderlich:
  • APRScube.bin (Firmware)
  • APRScube.ini (Konfiguration)
Die jeweils aktuelle Version kann als ZIP-Archiv hier heruntergeladen werden: http://APRScube.de/firmware

Zum Hochladen der "APRScube.bin" kann das "ESP32 Flash Download Tool" benutzt werden: http://APRScube.de/tools/Flash_Download_Tool_v3.8.5.zip

Gegebenenfalls muss auch noch der "CP2104 Driver" installiert werden: http://APRScube.de/tools/CP210x_VCP_Windows.zip

Nach dem Starten des Programms zunächst "Developer Mode" und dann "ESP32 Download Tool" auswählen. Nun den Pfad zur "APRScube.bin" eintragen, das Häkchen setzten und die Zieladresse (0x10000) angeben. Anschließend sollte das Fenster in etwa so aussehen:

   

Jetzt noch den COM-Port auswählen und auf "START" klicken. Das ist alles. Nach dem Programmieren dann einmal kurz den seitlichen Reset-Taster betätigen und der APRScube sollte starten.

Hinweis: Durch Fehlbedienung kann ggf. der Bootloader gelöscht werden. In dem Fall einfach die originale Firmware hochladen und Vorgang wiederholen: http://APRScube.de/tools/EasyLoader_M5Co...ryTest.zip

Die "APRScube.ini" kann individuell angepasst werden und kommt auf die Speicherkarte. Ohne Speicherkarte gehts zum Testen aber auch (Defaulteinstellungen). Wenn der APRScube einmal läuft gibts unter der entsprechenden IP-Adresse eine kleines Webinterface (Login: admin, Pass: APRScube). Damit kann man Firmwareupdates später ganz einfach "over-the-air" vornehmen. 

Bedienung und Konfiguration (INI-Datei) sollten weitgehend selbsterklärend sein. Mehr Dokumentation folgt demnächst ...
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#7
APRScube - Bedienung:

Die Bedienung des APRScube ist ganz bewusst recht einfach gehalten. Denn es soll vor allem ein solides und zuverlässiges System und kein "Parametergrab" sein. Vieles läuft automatisch und ohne manuelle Konfiguration ab. Individuelle Einstellmöglichkeiten gibt es nur da wo es Sinn macht. Dadurch finden sich auch Einsteiger sehr schnell zurecht da sie sich nicht über die Funktion unzähliger Konfigurationsparameter den Kopf zerbrechen müssen.

Allgemeines:

TASTER - Der APRScube wird durch den Taster an der Seite eingeschaltet. Wird der Taster etwa 5 Sekunden gedrückt schaltet der APRScube aus. Kurzes Drücken löst einen Neustart aus.
USB - Nach dem Zuführen der Betriebsspannung über den USB-Anschluss schaltet der APRScube automatisch ein. Nach Abschalten der Spannung schaltet der APRScube automatisch aus.
GROVE - An den seitlichen GROVE-Anschluss können externe Sensoren angeschlossen werden. Unterstützt wird derzeit der U001-B mit Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck.
STAND - Der APRScube kann auf einem Tischfuß mit eingebautem Temperatur- und Luftfeuchtesensor betrieben werden. Der externe Sensor muss in dem Fall abgezogen werden.

Display:

GPS - Leuchtet bei gültiger GPS-Position. Ist kein GPS-Modul vorhanden wird hier POS angezeigt. In dem Fall wird die fest eingestellte Position übernommen.
WLAN - Leuchtet wenn eine WLAN-Verbindung besteht.
INET - Leuchtet wenn eine Verbindung über das Internet zum APRS-IS besteht.
EXT - Leuchtet bei externer Stromversorgung via USB. Bei Betrieb über die interne Batterie wird BAT angezeigt.

Datum/Zeit - Die aktuelle Zeit wird vom GPS übernommen. Bei Internetverbindung wird die aktuelle Zeit via NTP übernommen.
Anzeige - Hier werden Werte wie z.B. Geschwindigkeit, Höhe, Anzahl der Satelliten, Sensordaten, Infos über empfangene APRS-Pakete etc. angezeigt.

Rufzeichen - Das Rufzeichen der eigenen Station.
RADIO - Die eigenen Daten werden über HF ausgesendet. Bei vorhandener Internetverbindung wird hier NETWORK angezeigt und die Daten über das Internet gesendet.

DISP - Bei Tastendruck wird zwischen den verschiedenen Anzeigemöglichkeiten umgeschaltet.
SEND - Die eigene Position wird sofort ausgesendet.
MODE - Durch längeren Tastendruck werden RADIO bzw. NETWORK zwangsaktiviert. Eine automatische Umschaltung findet dann nicht mehr statt.

Gateway:

Sobald eine Internetverbindung zum APRS-IS besteht werden grundsätzlich alle über HF empfangenen APRS-Pakete dorthin weitergeleitet. Auch die eigenen Daten werden dann über diesen Weg gesendet (Anzeige NETWORK). Besteht keine Internetverbindung werden die eigenen Daten über HF gesendet (Anzeige RADIO). Die Umschaltung RADIO/NETWORK erfolgt automatisch. Die eigene Station wird somit ohne weitere Bedienung automatisch zum Gateway sobald eine Internetverbindung besteht.

Webinterface:

Unter der IP-Adresse des APRScube gibt es ein kleines Webinterface (User ID: admin, Password: APRScube). Damit kann man Firmwareupdates ganz einfach "over-the-air" vornehmen. Nach dem Einloggen muss nur noch den Pfad zur "APRScube.bin" eintragen und anschließend auf "Update" geklickt werden. Nach erfolgreichem Update startet der APRScube mit der neuen Firmware. Sollte ein Fehler auftreten startet der APRScube wieder mit der alten Firmware.

Speicherkarte:

Individuelle Einstellungen (Rufzeichen, Symbol etc.) werden über die Datei „APRScube.ini" auf der Speicherkarte vorgenommen. Ohne Speicherkarte werden Defaulteinstellungen geladen.

Module:

Grundeinheit: M5Stack Core grey - K002

LoRa-Modul: M5Stack LoRa 18dBm (60mW) - M005
LoRa-Modul: M5Stack LoRa 30dBm (1W) - DL3DCW

GPS-Modul: M5Stack GPS Module - M003
GPS-Modul: M5Stack Mini GPS - U032 (zusätzlich M019 erforderlich)

Sensor-Modul: M5Stack Stand mit Temperatur/Feuchte - A011-B
Sensor-Modul: M5Stack Sensor zusätzlich mit Luftdruck - U001-B

Sonstiges: M5Stack Plus mit 500mAh - M019
Sonstiges: M5Stack Battery 700mAh - M002

Sämtliche Module welche keine besondere Firmwareunterstützung benötigen funktionieren natürlich auch. Weiterhin gibt es eine Menge Zubehör für den M5Stack (Base-Module, Einbaurahmen etc.).

Sonstiges:

Wie jedes andere Funkgerät darf auch der APRScube nicht ohne geeignete Antenne (433MHz) betrieben werden. Beim Anschluss der Antenne muss auf die Verwendung der richtigen Buchse geachtet werden (es besteht Verwechselungsgefahr mit der Buchse am GPS-Modul). Bei Nichtbeachtung können gegebenenfalls Schäden am Gerät bzw. den einzelnen Modulen auftreten.

Gleichzeitiger Betrieb von Tischfuß A011-B und externem Sensor U001-B ist nicht möglich. Bei Betrieb auf dem Tischfuß sollte zur Stromversorgung weiterhin der seitliche USB-Anschluss genutzt werden da ansonsten der interne Akku nicht geladen wird.

   

Webinterface für einfache Firmwareupdates "over-the-air"
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#8
APRScube - Konfigurationsdatei:

Nachstehend die verschiedenen Parameter der Datei „APRScube.ini" (auf der Speicherkarte). Beim Kopieren bitte die Kommentare (rechts) nicht übernehmen. Zum Bearbeiten der Einträge einen reinen Texteditor (z.B. Windows-Editor) benutzen. Bei der Verwendung von anderen Programmen wie Word, Wordpad etc. können eventuell Probleme mit unzulässigen Zeichen auftreten.

Code:
[wlan]
ssid = WLAN-NAME        WLAN-Name (darf keine Leerzeichen enthalten)
pass = WLAN-PASS        WLAN-Kennwort

[station]
call = NOCALL-9         Rufzeichen mit SSID
table = /               Symboltabelle
symbol = >              Symbol
info = LoRa-System      Infotext (bitte möglichst kurz halten)

[position]
lat = 0.0               Breitengrad (dezimal)
long = 0.0              Längengrad (dezimal)
height = 0              Höhe über NN in Meter (für Luftdrucksensor)

[radio]
power = 10              Sendeleistung in dBm (10=10mW, 18=60mW, 30=1W)

[server]
host = euro.aprs2.net   APRS-IS Hostname
port = 14580            APRS-IS Port
pass = 12345            APRS-IS Passcode (siehe https://apps.magicbug.co.uk/passcode)

[system]
time = 0                Zeitzone (0=UTC, 1=MEZ, 2=MESZ)
tele = off              Telemetrie (on/off)
rssi = off              SNR/RSSI (on/off - bitte nur für Testzwecke benutzen)

[correction]
temp = 0.0              Korrekturwert Temperatursensor
humi = 0.0              Korrekturwert Luftfeuchtesensor
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#9
APRScube - Display:

       
       
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#10
APRScube - Varianten:

Da der APRScube modular aufgebaut ist können im Prinzip alle von der Firmware unterstützten Module beliebig miteinander kombiniert werden. Die meisten Anwendungsfälle werden dabei wohl mit bereits zwei Varianten abgedeckt:

APRScube "home" - Grundeinheit, LoRa-Modul 18dBm, Tischfuß mit Temperatur- und Luftfeuchtesensor
APRScube "mobil" - Grundeinheit, LoRa-Modul 30dBm, GPS-Modul, externe GPS-Antenne

Der APRScube "home" dürfte vor allem als LoRa-RxGateway Sinn machen. Für diesen Zweck ist kein GPS erforderlich und das LoRa-Modul mit 18dBm völlig ausreichend. Die Messwerte der im Tischfuß eingebauten Sensoren können bei Bedarf als APRS-Telemetrie ausgesendet werden. Bei Verwendung eines abgesetzten Sensors (zusätzlich mit Luftdruck) ist sogar der Betrieb als Mini-LoRa-APRS-Wetterstation denkbar.

Der APRScube "mobil" ist primär für den Einsatz im Fahrzeug gedacht. Durch das eingebaute GPS-Modul und die externe GPS-Antenne sind die Montagemöglicheiten recht flexibel. Mit der hohen Sendeleistung von 30dBm (1W) sollte man eigentlich fast überall ganz gut zurechtkommen. Einzelne LoRa-(Rx-)Gateways muss es in der jeweiligen Region aber natürlich geben. Im Moment scheinen diese jedoch überall in DL wie Pilze aus dem Boden zu schießen ...

           

APRScube "home" auf Tischfuß mit eingebautem Temperatur- und Luftfeuchtesensor
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