Ein Meshtastic-Netzwerk ist ein drahtloses Mesh-Netzwerk, das hauptsächlich zur Kommunikation in Gebieten ohne Mobilfunknetz oder Internet oder unabhängig von diesen verwendet wird (Off-Grid-Netzwerk).
Es können Textnachrichten und Standortinformationen zwischen Geräten (Meshtastic-Knoten) ausgetauscht werden. Neben der Übermittlung von Textnachrichten und Standortinformationen, wie GPS-Daten, können Meshtastic Knoten aber auch Messwerte erfassen und mit anderen Knoten austauschen.
In der folgenden Abbildung ist eine solche Anwendung gezeigt. Es steht das Übertragen der von einzelnen Knoten erhobenen Messwerte im Vordergrund.
Außerdem kann einer der Meshtastic-Knoten mit einer MQTT-Schnittstelle ausgestattet sein, die eine Verbindung ins Internet ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich örtlich weit auseinanderliegende (lokale) Meshtastic-Netzwerke verbinden und deren Daten zentral auswerten. Der Off-Grid-Aspekt geht in diesem Fall allerdings verloren.
Zur Messwerterfassung steht eine breite Palette von Sensoren mit unterschiedlichen Interfaces zum Datenaustausch zur Verfügung.
Sensoren mit I2C-Interface
Von Meshtastic wird eine Reihe wichtiger Sensoren mit I2C-Interface direkt unterstützt. Unter der URL https://meshtastic.org/docs/configuration/module/telemetry/ sind die aktuell unterstützten Sensoren gelistet.
Messungen der Umgebungsbedingungen und einiger Gesundheitsaspekte sind damit direkt möglich. Wichtig zu beachten ist, dass der betreffende Meshtastic Knoten auch ein I2C-Interface zur Verfügung stellt.
Meshtastic-Knoten
Eine komfortable Lösung besteht bei Verwendung eines Meshtastic Starter Kits von RAKwireless bestehend aus den folgenden Komponenten:
- WisMesh Base Board RAK19026 oder WisBlock Base Board RAK19007
- WisBlock Core Module RAK4631
- WisBlock Sensor Adapter Module RAK1920
- OLED Display RAK1921 (optional)
- GNSS GPS Location Module u-blox ZOE-M8Q RAK12500 (optional)
Selbst bei bestücktem OLED-Display ist das I2C-Interface über den Grove-Stecker des RAK1920 zugänglich, wie die folgende Abbildung des komplett ausgestatteten Meshtastic Knotens zeigt.
Für experimentelle Arbeiten bietet sich ein RAKBox-B5 Transparent Acrylic Enclosure (https://store.rakwireless.com/products/rakbox-b5-transparent-acrylic-enclosure) von RAKwireless an, wie ich es beispielsweise bei Experimenten zu einem solargepufferten IoT-Knoten eingesetzt habe (https://ckarduino.blog/2023/12/21/solar-buffered-wisblock-node/).
Für das Meshtastic Starter Kit von RAKwireless gibt es aus der Gehäusereihe Unify Enclosure das für den Außeneinsatz spezifizierte Unify Enclosure IP67 150x100x45 mm mit einem Solarpanel im Gehäuseoberteil.
Mit diesen Möglichkeiten kann recht einfach von einem Prototyp, der nicht für den Außeneinsatz geeignet ist, auf ein finales, für den Außeneinsatz geeignetes Produkt übergegangen werden.
Auf dem Baseboard lassen sich WisBlock Sensoren direkt montieren. Mit dem RAK1901 WisBlock Temperature and Humidity Sensor können beispielsweise Umweltdaten (Temperatur, rel. Luftfeuchte) sehr einfach erfasst werden. Will man nicht die Messwerte im Inneren des Gehäuses erfassen, dann sollte der RAK1901 entweder durch ein Expansionskabel vom Baseboard abgesetzt oder gleich durch einen externen Sensor ersetzt werden. Sowohl für die Sensor- als auch IO-Slots der Baseboards bietet RAKwireless FPC Extension Cables an.
Wollen Sie gleich einen für den Outdoor-Einsatz geeigneten Sensor einsetzen, dann liefert eine Suche schnell verschiedene Angebote unterschiedlicher Bauform, die in der Regel auf Sensoren der Schweizer Fa. Sensirion aufbauen.
Mit einem Grove-Stecker ausgerüstet, kann ein solcher Sensor direkt mit dem RAK1920 kontaktiert werden.
Beim Starten des Meshtastic-Knotens kann über die serielle Console des WebFlashers die Detektion der angeschlossenen I2C-Devices verfolgt werden. Der folgende Screenshot zeigt die Detektion des OLED-Displays und die Detektion eines externen SHTC3-Sensors.
Die Telemetriedaten beinhalten der erfassten Messdaten und zeigen sich beispielsweise im Programm MeshSense, wie im folgenden Screenshot gezeigt.
Mit der Anschlussmöglichkeit für externe I2C-Sensoren haben Sie bereits vielfältige Möglichkeiten der Messwerterfassung. Bedingung ist, dass der Sensor ein I2C-Interface aufweist und von der Meshtastic Firmware auch unterstützt wird.
Sensoren ohne I2C-Interface
Für die Erfassung von Umweltdaten gibt es auch eine Reihe von Sensoren, die zwar für den Außeneinsatz geeignet sind, aber kein I2C-Interface aufweisen. Zwei möchte ich hier beispielhaft nennen.
Waterproof DS18B20 Digital Temperature Sensor (IP68)
Der DS18B20 ist ein Temperatursensor im TO92-Gehäuse mit einem 1-Wire-Interface. Durch seine werkseitige Kalibrierung ist der Sensor sehr genau. Der DS18B20 wird nicht durch Meshtastic unterstützt. In der wasserdichten Version gemäss der folgenden Abbildung kann er sehr gut als echter externer Sensor dienen.
Ultrasonic Ranging Sensor for Water Level Detection (25-800 cm, IP67)
Dieser Ultraschallsensor misst Entfernungen zwischen 25 und 800 cm. Dank der integrierten Temperaturkompensation arbeitet er zuverlässig in einem Temperaturbereich von -15 °C bis 60 °C. Dieser Sensor weist ein serielles Interface (UART) auf und ist ideal für die Erkennung des Wasserstandes in Schächten, in Wassertanks und in Flussläufen. Auch dieser Sensor wird nicht durch Meshtastic unterstützt.
Das serielle Interface steuert über RX die Messung (T1＞2,5 s, T2 = 0,9 ~ 2,5 s; RX Pulsbreite zwischen 10 us und 2 ms). Alle weiteren Informationen und Codebeispiele sind über den Link oben zu finden.
Externes Erfassungsmodul
In einem Meshtastic-Netzwerk können externe Erfassungsmodule Sensoren ergänzen, die bislang (noch) nicht durch Meshtastic unterstützt werden.
Die folgende Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einem Meshtastic-Netzwerk mit drei Meshtastic-Knoten (grün eingefärbt). Ein Meshtastic-Knoten weist eigene, von der Meshtastic-Firmware unterstützte Sensorik auf. Für weitere Sensoren kann ein externes Erfassungsmodul eine Schnittstellenfunktion übernehmen. Das externe Erfassungsmodul (blau eingefärbt) kontaktiert einen beliebigen Sensor über dessen Interface und wandelt die Messergebnisse in einen Textstring. Dieser Textstring wird dann seriell an einen Meshtastic-Knoten übertragen.
Der eingesetzten Mikrocontroller muss die erforderlichen Schnittstellen für den Anschluss des auszuwertenden Sensors aufweisen (I2C, SPI, 1-Wire etc.) sowie eine UART-Schnittstelle zur Übertragung der Messwerte an den zugeordneten Meshtastic-Client. Die Stromaufnahme für das gesamte Erfassungsmodul incl. Sensor sollte möglichst gering sein, damit Batteriebetrieb möglich ist. Ich verwende hier einen nRF52840 in Form eines XIAO nRF52840 von SeeedStudio. Grundsätzlich kann jeder Mikrocontroller aus der XIAO-Familie eingesetzt werden.
Wie die Abbildung oben zeigt, sind I2C, SPI, UART sowie analoge und digitale IO nach Außen geführt und die Voraussetzungen für eine flexible Sensoranbindung erfüllt. SeeedStudio bietet ergänzend zu den XIAO-Mikrocontrollern noch das XIAO Expansion Board an, wodurch ein kompaktes Erfassungsmodul mit optionaler Anzeige aufbaubar ist.
Für die Kontaktierung des XIAO nRF52840 stehen Buchsenleisten zur Verfügung, über die jeder Anschluss auch nach außen hin verfügbar ist. Außerdem stehen die I2C- und UART-Anschlüsse als Grove-Ports (rot umrandet) zur Verfügung.
Der 1-Wire-Sensor DS18B20 wird über den digitalen Eingang D0, der an einem Grove-Anschluss zur Verfügung steht, angeschlossen. Bitte denken Sie an den erforderlichen PullUp-Widerstand. Auf dem OLED-Display wird der erfasste Temperaturmesswert angezeigt.
Das Programm XIAO_nRF52840_DS18B20.ino fragt den DS18B20 Sensor ab und bereitet die Daten zur Anzeige auf dem OLED auf. Der ermittelte Temperaturmesswert wird in einen String konvertiert, der über die UART an den Meshtastic-Knoten weitergeleitet wird. Dieses und weitere Programmbeispiele finden Sie auf GitHub unter https://github.com/ckuehnel/Meshtastic. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgabe über die Console des XIAO nRF5240.
Die Übertragung der Daten vom externen Erfassungsmodul zum Meshtastic-Knoten zeigt die folgende Abbildung.
Das ursprünglich am Meshtastic Knoten installierte GPS-Modul RAK12500 musste ich entfernen, da das Modul das serielle Interface belegt, welches hier für die Verbindung zum Erfassungsmodul verwendet wird.
Die Details zur Konfiguration des Serial Module finden Sie unter https://meshtastic.org/docs/configuration/module/serial/. Der folgende Screenshot zeigt die erforderlichen Einstellungen. Die seriellen Pins gelten für ein RAK19007 Baseboard.
Der übertragene Textstring wird vom Serial Module der Meshtastic-Firmware als Textmessage in der Form RAK1: DS18B20 Temp = xx.x °C über den Primary Channel gesendet. Im Programm MeshSense zeigen sich die Textmessages gemäss folgendem Screenshot.
In der Android-App zeigen sich die Telemetriedaten und die Textmessage mit dem DS18B20 Messwert, wie in den beiden Screenshots von einem Smartphone zu sehen ist.
Die gesplittete USB-Spannungsversorgung für die beiden den Meshtastic-Knoten bildenden Module war zwar sehr komfortabel, zeigte sich aber als sehr stromhungrig. Im Blogpost Solar-betriebener Meshtastic-Knoten ist der Strombedarf im realen Betrieb gezeigt. Mit den Erkenntnissen aus dem erwähnten Post ergibt sich die folgende Schaltungsänderung zur Reduzierung des Strombedarfs.
Sind Sie noch neu bei diesem interessanten Thema, dann finden Sie Grundlagen im nebenstehenden eBook, das im Rheinwerk-Verlag erschienen ist. Daniel Schlapa hat das Buch schon mal gelesen und rezensiert.
2025-03-17/CK
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