Mein LoRa-iGATE mit TTGO ESP32-Modul

  Interessante Versuche mit einer neuen Modulationsart

Angeregt durch meine Bastelei mit einem Wettersonden-Sucher haben sich weitere interessante Bastelmöglichkeiten mit den chinesischen LoRa-Modulen eröffnet.
Unter dem Stichwort "LoRa APRS" findet man im Internet viele Informationen zu dieser Betriebsart. Ich erspare mir deren Wiederholung.
Schauen Sie sich die Videos zum Thema "LoRa APRS" auf YouTube an - dort wird anschaulich erklärt um was es geht.
In diesem Beitrag beschreibe ich einige "Problemchen", die mir den Einstieg in "LoRa APRS" erschwerten.

  Aufbau des iGATE

Mein iGATE fand in einem Gehäuse LH55-130 der Firma PACTEC seinen Platz. Ein ursprünglich vorgesehenes Metallgehäuse ist nicht verwendbar, da von dem verwendeten LoRa-Modul (TTGO) eine Verbindung via WLAN (ca. 2400 MHz) zum heimischen Router hergestellt werden muß. Die Antenne für WLAN ist das gebogene und geschlitzte Blechteil auf der TTGO-Leiterplatte. Es ist dort an 4 Punkten fest verlötet.
Zu erkennen ist auch der relativ große Platzbedarf der 4 Stück Li-Ion-Akkus der Baugröße 18650 mit einer Gesamtkapazität von 8,8 Ah.

Verdrahtungsplan

Innenaufbau

Subfrontplatte

Stromversorgung

Beim erstmaligen Bestücken der 4 parallel geschalteten Akkuhalterungen ist Vorsicht angeraten!
Stecken Sie nicht gleichzeitig alle 4 Akkus mit unterschiedlichem Ladezustand in die Halterungen!
Es könnten sehr hohe Ausgleichströme zwischen den Akkus fließen. Stecken Sie erst einen einzelnen Akku in die Halterung und schalten Sie den zweiten Akku erst einmal über einen Schutzwiderstand von 1 Ohm / 2 W dem ersten parallel. Erst wenn die am Schutzwiderstand gemessene Differenzspannung unter 0,1 V gesunken ist kann auch Akku 2 ohne Gefahr in seine Halterung gesteckt werden. Diesen Vorgang wiederholen Sie dann auch mit Akku 3 und Akku 4.

  Problem bei der Programmierung

Manuel Lausmann hat sich viel Mühe gemacht und eine Anleitung "Installation LoRa APRS Igate Software von OE5BPA" verfaßt. Nach dieser Anleitung bin ich vorgegangen. Die Installation der iGATE-Software endete stets ohne Fehlermeldung, das iGATE meldete sich jedoch nicht. Nach mehreren Tagen des Suchens kam ich zu der Vermutung, daß meine heimischen PC mit ihren Versionen "Home" und "Pro" von Windows-10 (alle 32-Bit) die Ursache sein könnten.
Also habe ich "Visual Studio Code" (VSC), "PlatformIO" und die mit meinen Daten versehene Datei "is-config.json" auf einen USB-Stick kopiert. Damit und mit den zu programmierenden TTGO-Modulen sowie passenden USB-Kabeln bin ich an einen 64-Bit Win10 PC an unserer Amateurfunk- Klubstation DK0MIT gegangen. Und siehe da - Hurra! -, die Programmierung der TTGO-Module klappte auf Anhieb.
Zurückgekehrt habe ich mir die 5 in meinem Haushalt vorhandenen älteren Win10 PC einmal näher angeschaut. Es war nur ein einziger davon in der Lage, auch mit Win10 in der Version 64-Bit versehen zu werden.
Die Installation des 64-Bit Betriebssystems hat mehrere Stunden gedauert.
Sie benötigen dazu den alten 32-Bit Windows Produktschlüssel. Der Produktschlüssel läßt sich aus der Registry auslesen. Ein Upgrade kann nur von "Home 32Bit" zu "Home 64Bit" oder "Pro 32Bit" zu "Pro 64Bit" erfolgen.
Nun funktioniert die Programmierung der LoRa-Module auch bei mir zu Hause.

Eine weitere Fehlermöglichkeit stellen die USB-Kabel dar. Mir sind zwei Stück aus unbekannten Quellen zugelaufen, die zwar intern die Plus- und Masse-Leitungen enthielten, aber keine Datenleitungen. Ein reines USB Ladekabel also. Wenn Sie beim Programmieren mit VSC keine USB-Schnittstelle finden - prüfen Sie bitte ihr USB-Kabel.

  Über die Glaubwürdigkeit von Akku-Kapazitätsangaben

Mein TTGO-Modul verbraucht durchschnittlich 90 mA während des Betriebes. Das habe ich so gemessen. Eine Energiespar - Option habe ich in der Software noch nicht gefunden.
Da liest man ja im Internet die tollsten Angaben zur Kapazität von Li-Ion-Zellen der Bauform 18650. Bis zu 10000 mAh je 18650-Zelle sollten möglich sein - ein Traum von Energiedichte! In meinem iGATE wollte ich 4 Stück mit einer Kapazität von jeweils 5800 mAh verwenden. Mit den insgesamt 23200 mAh sollte ein Betrieb von etwa 9 Tagen ohne Nachladung durch die Solarzellen möglich sein. Aber es kam anders ...

HANGLIANG Soll: 2x 5800 mAh Ist: ca. 2x 210 mAh

SAMSUNG Soll: 2x 3500 mAh Ist: ca. 2x 2200 mAh

Nach Erhalt der Akkus wurden zunächst ihre Leerlaufspannungen gemessen, die zwischen 3,4 V und 3,7 V lagen. Also alle im erwarteten Bereich und es war kein tiefentladener Akku dabei.
Ein Stromversorgungsgerät wurde auf eine Ausgangsspannung von 4,2 V ( = Lade-Endspannung ) und einen Maximalstrom von 500 mA eingestellt. Anschließend wurden die Akkus so lange geladen, bis nur noch 50 mA Ladestrom geflossen sind. Dieser Zustand war bei den 5800 mAh Typen innerhalb einer halben Stunde erreicht. Eine verdächtig kurze Zeit!
Die 3500 mAh Akkus benötigten jeweils etwa 5 Stunden, um diesen Zustand zu erreichen.
Anschließend wurden die Akkus über einen Widerstand 3,3 Ohm / 5 W wieder bis zur Entlade-Schlußspannung von 3,2 V entladen. Dieser Zustand war bei den mit 5800 mAh gekennzeichneten Typen nach 10 ... 11 Minuten erreicht, woraus sich eine Kapazität von etwa 210 mAh errechnen läßt.
Die 3500 mAh Akkus hielten diesen Test alle etwa 1 Stunde und 50 Minuten aus, was leider nur eine Kapazität von etwa 2200 mAh bedeutet.
Das ist der Grund dafür, daß mein Solar-iGATE nun mit einem Pufferakku mit nur 8,8 Ah statt der erhofften 23,2 Ah auskommen muß.

  Solare Ladeschaltung

Ich verwende ein Solarpanel bestehend aus 6 parallel geschalteten kleinen Solarzellen 5 V 150 mA mit jeweils 93 x 83 mm Außenabmessungen. Deren Ausgangsspannung erreicht im Leerlauf bis zu 6 V. Das ist die maximale Eingangsspannung des Reglers TP4056. Die Diode D1 dient als Verpolungsschutz und senkt die dem Modul TP4056 zugeführte Eingangsspannung um 0,7 V. Diode D2 dient als einfacher Überspannungsschutz und soll die Eingangsspannung für den TP4056 auf etwa 5,1 V begrenzen. Die Module mit dem TP4056 schalten bei Erreichen einer Akkuspannung von 4,25 V den Ladevorgang ab.

Solarzellen x6

Rückansicht

Einzelklemme

TP4056 Module

Die Halterung für die Solarzellen erfolgt durch Elektro-Clip-Schellen. Diese werden auf 16 mm Kunststoff-Installationsrohr aufgerastet. Die bereits in den Clips vorhandenen Nuten halten die Solarzellen auch ohne zusätzlichem Kleber gut fest. Zum Probieren auf dem Balkon reicht das. Für den Dauereinsatz auf dem Dach taugt diese schnelle Lösung sicher nicht.

  Display Anzeige im Normalbetrieb

Zeile 1: WiFi-Adresse
Zeile 2: Anzeige in APRS.FI
Zeile 3: ?
Zeile 4: Zeit bis nächste Baken-Aussendung
Zeile 5: Update Over The Air möglich
Zeile 6: UTC-Zeit / Network Time Protocol
Zeile 7: Verbindung zu APRS-Servern besteht

  Display Anzeige während einer Baken-Aussendung

Der links zu sehende Text wird vom iGATE als Bake gemäß der in der Datei is-cfg.json eingestellten Intervallzeit "timeout: xx" zum heimischen WLAN-Router gesendet. Vom Router geht es dann weiter ins Internet. Die Baken-Daten werden vom iGATE-Betreiber vor der Programmierung des TTGO in der Datei is-cfg.json eingetragen.

Die unterste Pixelreihe fehlt im Display.

  Display mit Fehlermeldung

Nach 22 Tagen fehlerfreiem Testbetrieb überraschte mich das Display an einem Morgen mit nebenstehender Meldung. Ich hatte keinerlei Zugriff auf das iGATE getätigt und mir war unklar, wie diese Meldung entstehen konnte. Da ich das iGATE noch in der Wohnung betrieb ist mir ein Zugriff zur Behebung des Fehlers leicht möglich. Wäre das iGATE jedoch auf einem schlecht erreichbaren "exponierten Standort", dann wäre Ärger vorprogrammiert.
Erst ein erneutes Programmieren des LoRa TTGO-Moduls mit der noch auf dem PC vorhandenen Datei "is-config.json" beseitigte den Fehler. An "is-config.json" habe ich keine Änderungen vorgenommen.

15 Tage lang funktionierte das iGATE wieder nach dieser erneuten Programmierung. Heute war der Fehler wieder da. Um meine Vermutung auf "schleichender leerer Akku" wegen zu geringer Nachladung durch das Solarpanel zu bestätigen machte ich folgenden Versuch:

Die Software wurde wieder neu auf das TTGO-Modul aufgespielt.
Die 4 Li-Ion-Akkus mit je 2200 mAh wurden aus ihren Halterungen entfernt und durch nur einen voll geladenen meiner "Fake-Akkus" mit 210 mAh (siehe oben) ersetzt. Parallel zum Fake-Akku habe ich ein Voltmeter angeschlossen.
Nun war über einen Zeitraum von etwa 90 Minuten die langsam sinkende Akkuspannung und das Verhalten des OLED gut zu beobachten. Bis zu einer Akkuspannung von 3,00 V funktionierte alles wie gewünscht, bei 2,90 V blieben die NTP-Zeitanzeige und der Count-Down-Zähler für die bis zur nächsten Bakenaussendung verbleibende Zeit stehen.
Ein Reset durch den Taster oder kurzes Aus- und Einschalten des Moduls zeigte dann die Fehlermeldung auch bei inzwischen wieder voll geladenen Akkus.
Also Software wieder neu aufspielen ...
Vielleicht erbarmt sich ja jemand, der den ESP32-Prozessor programmieren kann, diesem Fehler und schreibt eine Ergänzung, die die Akkuspannung ständig überwacht (ist ja schon auf dem Modul vorhanden) und bei Unterschreiten von 3,00 V den Prozessor geordnet herunter fährt.
Schön wäre es ...

Eine weitere Möglichkeit, die mir einfällt, wäre es, einen Schmitt-Trigger als reine Hardware-Lösung für die Überwachung der Akkuspannung zu nutzen. Sinkt diese unter (z.B.) 3,2 V, dann soll die Betriebsspannung des TTGO schlagartig unterbrochen werden. Erst wenn die Akkuspannung wieder auf (z.B.) 3,5 V angestiegen ist, soll der TTGO wieder mit Betriebsspannung versorgt werden.
Aber das wäre wohl eine Lösung aus dem vorigen Jahrhundert.

Inzwischen habe ich ein anderes iGATE ohne Ladeschaltung, Akku und Solarzellen in Betrieb genommen. Es ist eine sehr überschaubare Zwischen-Lösung. Sie besteht nur aus dem TTGO und einem passenden gedruckten Gehäuse. Die Spannungversorgung geschieht über die 5 V aus dem USB-Bus.

  Rechtliches

LoRa im Amateurfunk findet in Deutschland auf der Frequenz 433,775 MHz statt.
Ein iGATE ist ein Empfänger für diese Frequenz und sendet die empfangenen Daten via WLAN (etwa 2400 MHz) zum heimischen Router, welcher diese Daten wiederum ins Internet zu APRS-Servern weiterleitet.
Der Empfang von Signalen auf 433,775 MHz und deren Weiterleitung ist jedem erlaubt - nicht nur geprüften Funkamateuren mit entsprechender Lizenz.
Allerdings sollte man als iGATE-Betreiber ohne Amateurfunk-Rufzeichen eine gewisse Sorgfalt bei der Auswahl seiner Kennung anwenden. Mit der Kennung erscheint das von Ihnen betriebene iGATE auf Karten wie zum Beispiel APRS.FI. Wenn noch nicht vorher vergeben bieten sich 6-stellige Namen von iGATE-Standorten an: Aachen, Soltau, Kamenz oder Demmin wären eine gute Wahl, wenn Sie dort wohnen. Aber auch neutrale Bezeichnungen wie z.B. Mikado, Karibu oder Oberon würden mir gefallen.

Also fangen Sie an, ihr eigenes iGATE zu bauen und in Betrieb zu nehmen!

  Weiterführende Links

[1] Installationsanleitung für iGATE von Manuel Lausmann
[2] Webseite von Lutz Bär