Das eigene Gateway

Wer noch einen Raspberry Pi in der Schublade hat, kann mit etwas Bastelgeschick für etwa 130 Euro ein eigenes Gateway ins Netz stellen, im Internet kursieren dafür verschiedene Anleitungen. Diesem Beitrag liegt im Wesentlichen die Beschreibung Form Zero to LoRaWAN in a weekend der Züricher The Things Network-Community zugrunde. Damit es wirklich innerhalb eines Wochenendes klappt, sollten die erforderlichen Komponenten am besten vorher besorgt werden.

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Benötigt wird Folgendes:

  • das iC880A-SPI LoRaWAN concentrator Board
  • eine 868 MHz-Antenne mit mindestens 3 dBi Gewinn
  • ein Pigtail-Kabel u.fl auf SMA zum Verbinden der Antenne mit dem Board
  • ein Raspberry Pi inkl. Stromversorgung und Netzwerkverbindung
  • eine SD-Karte mit genügend Platz (z.B. 4 GB)

Auf der genannten Github-Seite der Züricher The Things Network-Community finden sich die Bezugsquellen für die Komponenten und die PIN-Belegung von Pi und iC880A-Board.

  • The Things Network - Abdeckung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
  • Bauteile (Bild: Dirk Koller)
  • Verkabelung (Bild: Dirk Koller)
  • Registrierung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
Bauteile (Bild: Dirk Koller)

Die Antenne wird über das Pigtail-Kabel mit dem Board verbunden und anschließend das Board mit dem Raspberry-Pi verkabelt.

  • The Things Network - Abdeckung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
  • Bauteile (Bild: Dirk Koller)
  • Verkabelung (Bild: Dirk Koller)
  • Registrierung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
Verkabelung (Bild: Dirk Koller)

Selbstverständlich lässt sich die Elektronik später noch in einem schicken, wetterfesten Gehäuse verstecken, hier steht der funktionale Aufbau im Vordergrund. Da das Gateway mit dem Things-Netzwerk kommunizieren muss, wird eine Internetanbindung für den Pi benötigt. Um Funkstörungen zu vermeiden, geschieht das optimalerweise über Kabel, also Ethernet. Für einen ersten Test reicht aber auch eine WLAN-Verbindung.

Vorbereiten des Pi

Als Betriebssystem für den Pi wird hier Raspian Stretch Lite eingesetzt, ein auf der Debian Stretch Distribution basierendes und mit 360 MB recht kompaktes Image ohne Desktop.

Das Image muss nach dem Download auf eine SD-Karte gebracht werden. Das Vorgehen unterscheidet sich dabei je nach Betriebssystem leicht. Unter Windows kann man zum Beispiel Etcher verwenden. Die Bedienung ist denkbar einfach: die Zip-Datei mit dem Image und die SD-Karte auswählen und den Vorgang starten. Da wir uns im Folgenden über SSH mit Pi verbinden wollen, muss nach dem Flashen zuerst SSH aktiviert werden. Dazu legt man bei aktuellen Distributionen eine leere Datei namens ssh (ohne Endung) auf der Boot-Partition der Karte an. Außerdem empfiehlt es sich, dem Pi gleich die Netzwerkeinstellungen des heimischen Netzwerks mitzuteilen. Das geschieht mit Hilfe der Datei wpa_supplicant.conf (ebenfalls in der Root-Partition) mit folgendem Inhalt (Bezeichnung und Passwort ersetzen):

country=DE
ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
network={
 ssid="wlan-bezeichnung"
 psk="passwort"
 key_mgmt=WPA-PSK
}

Bei der Namensvergabe der Dateien bitte beachten, dass Windows eventuell die Dateiendungen nicht anzeigt (und die Datei dann in Wirklichkeit womöglich ssh.txt heißt). Danach wird die SD-Karte in den Pi geschoben und dieser gestartet. Die weitere Einrichtung geschieht über ssh von einem anderen Computer im Netzwerk:

ssh pi@raspberrypi

Das abgefragte Passwort ist das Default-Passwort raspberry. Wegen des offenen SSH-Zgangs sollte es mit dem Kommando passwd geändert werden. Anschließend startet man das Configuration Tool des Raspberry:

sudo raspi-config

Dort ist unter Punkt 5, Interfacing Options - P4 SPI das SPI Interface zu aktivieren. SPI steht für Serial Peripheral Interface und bezeichnet ein synchrones Datenbus-System, mit dem der Pi über den GPIO-Port kommuniziert (ähnlich wie I2C oder UART). Außerdem ist unter Punkt 7 Advanced Options - A1 Expand Filesystem zu aktivieren. Die Option stellt sicher, dass die gesamte SD-Karte genutzt wird. Nach dem Reboot und erneutem Einloggen empfiehlt es sich noch, Gebietsschema und Zeitzone zu konfigurieren. In Deutschland sind de_DE.UTF-8 und Berlin gängige Werte:

sudo dpkg-reconfigure locales
sudo dpkg-reconfigure tzdata

Installation der Gateway-Software

Da die Gateway-Software über das Versionsverwaltungssystem Git bezogen wird, muss dieses installiert werden, vorzugsweise mit einer aktualisierten Version des Paktetverwaltungswerkzeugs apt:

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

Danach kann die Gateway-Software aus dem Git-Repository auf die SD-Karte geklont und ebenfalls installiert werden:

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

Der Vorschlag, ein Remote Settings File zu verwenden, wird verneint und alle darauf folgenden Fragen werden vorerst mit Return beantwortet. Die Installation wird daraufhin abgeschlossen und eine Gateway EUI, so etwas wie die MAC-Adresse des Gateways, angezeigt. Die wird im nächsten Abschnitt benötigt.

Der Pi bekommt während der Installation einen neuen Hostnamen. Er ist nun unter ttn-gateway über SSH zu erreichen. Außerdem hat die Installationsroutine einen Service namens ttn-gateway.service eingerichtet, der automatisch startet. Wer sich die Dateien anschauen möchte, findet sie unter /opt/ttn-gateway.

Konfiguration in der TTN-Konsole

Die weitere Konfiguration erfolgt in der The Things Network-Konsole. Um diese zu benutzen, wird ein Account benötigt. Ist dieser vorhanden, lässt sich nach dem Einloggen unter Gatewyas - Register Gateway ein Gateway einrichten. Wichtig ist dabei die Checkbox "I'm using the legacy packet forwarder". Das Aktivieren der Checkbox schaltet im oberen Textfeld die Eingabe der Gateway EUI frei. Wer sie nicht notiert hat, findet sie gegebenenfalls mit dem folgenden Kommando:

cat /opt/ttn-gateway/bin/local_conf.json | grep gateway_ID.

Neben der Gatewyay EUI und dem Frequenz Plan (Europe 868 MHz) sind der Router, mit dem sich der Gateway verbindet (ttn-router-eu-), und der Standort (Geokoordinaten sowie Indoor/Outdoor) anzugeben.

  • The Things Network - Abdeckung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
  • Bauteile (Bild: Dirk Koller)
  • Verkabelung (Bild: Dirk Koller)
  • Registrierung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)
Registrierung (Quelle: The Things Network / Screenshot: Dirk Koller)

Nach dem Speichern der Daten sollte der Status des Gateways auf Connected wechseln, und der stolze Besitzer ist Teil des The Things Networks.

Dirk Koller schreibt als freier Autor über IT-Themen, bevorzugt Softwareentwicklung und Geoinformatik (Fernerkundung, UAV, RTK GPS, Mobile GIS, Augmented Reality).

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