STM32 + LoRa Drahtloses Sensornetzwerk (WSN) — Komplettes Design

1) Was du baust

Ein stromsparender Sensorknoten (STM32), der periodisch Daten misst und diese über LoRa/LoRaWAN an ein Gateway → Netzwerkserver → Anwendungs-Dashboard (z. B. Grafana/Node-RED) sendet. Ausgelegt auf Monate bis Jahre Batterielaufzeit.

2) Topologie & Protokollwahl

Option A — LoRaWAN (empfohlen für Skalierung)

• Vorteile: Roaming über öffentliche/community Netze, AES-128 Sicherheit, Adaptive Data Rate (ADR), Netzwerkmanagement

• Einsatz: Viele Knoten, Stadt-/Landwirtschaftsnetz, Dashboards, Mehrbenutzer

• Komponenten: Node (Class A), Gateway (≥8 Kanäle), Netzwerkserver (TTN/The Things Stack, ChirpStack)

Option B — LoRa P2P (Roh-LoRa)

• Vorteile: Einfach, kein Server, minimale Overhead

• Einsatz: Kleine private Systeme oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

• Nachteil: Adressierung/Retry/Krypto muss selbst implementiert werden

👉 Empfehlung: Zuerst P2P für Bring-up → später LoRaWAN.

3) Hardware-Auswahl

3.1 MCU + Funk-Architekturen

• Diskret: STM32L0/L4/L5/U5 + SX1276/77/78/79 (RFM95/96 Module)

• Moderner diskret: STM32 + SX1262/61 (geringerer Strom, BUSY/DIO1 Schnittstelle)

• SoC: STM32WL (STM32 + LoRa Funk in einem Chip)

• SiP Modul: Murata Type-ABZ (CMWX1ZZABZ)

3.2 Empfohlene Teile (Beispiel)

• MCU: STM32L072KZT6 oder STM32L452RE

• Funk: SX1276 (RFM95W-868/915) oder SX1262

• Sensoren: BME280, DS18B20, INA219, etc.

• Energie: Li-SOCl₂ 3,6 V AA oder 18650 + Buck

• RTC: Interner + 32,768 kHz Quarz

• Antenne: abgestimmte 868/915 MHz Antenne mit π-Abgleich

• Schutz: TVS, Verpolschutz, LC-Filter

4) Pin-Zuordnung (SX1276 Beispiel)

5) Energie-Budget (Beispiel)

• Sendeintervall: alle 5 Minuten, +20 dBm TX, 1 s

• Verbrauch ≈ 9,9 mAh/Tag

• Laufzeit: ca. 8 Monate mit 2400 mAh Zelle

• Optimierung: TX-Leistung senken, Intervall verlängern, STM32WL nutzen, STOP2/SHUTDOWN Modi.

6) Funk-Parameter

• BW: 125 kHz

• SF: SF7 Start (kurze Airtime), höher für Reichweite

• CR: 4/5

• TX: +14 … +20 dBm (lokale Limits beachten)

• CRC: an

7) Firmware-Architektur

Ablauf (Node):

1. Aufwachen via RTC

2. Sensoren einschalten → Daten messen → Payload packen

3. Funkchip aktivieren → senden → TxDone IRQ abwarten

4. Alles schlafen legen (STOP2/SHUTDOWN)

Stacks:

• LoRaWAN: ST Middleware (Cube) oder LoRaMac-node

• P2P LoRa: RadioLib oder leichter Treiber

8) Payload-Design (kompakt)

9) Gateway & Backend

• Gateway: Raspberry Pi + RAK2287 oder kommerziell (8-Kanal)

• Server: TTN oder ChirpStack

• App: MQTT → InfluxDB/TimescaleDB → Grafana

10) Low-Power Tricks

• STOP2/SHUTDOWN + RTC

• Sensor-Power über FET schalten

• Busse deaktivieren, Debug aus im Sleep

• DMA nutzen

11) Sicherheit

• OTAA nutzen (dynamische Schlüssel)

• Keys pro Gerät, Flash-Schutz aktivieren

• Payload-Versionierung + optional CRC

12) Rechtliches

• Regionale Frequenzpläne beachten (EU868, US915, AS923, …)

• Duty Cycle (EU), Dwell-Time (US)

• Vorzertifizierte Module für CE/FCC nutzen

13) Testplan

• SPI/Funk Registertests

• RF Linktests (RSSI, PER)

• Strommessung (µA im Sleep)

• 7-Tage Dauerlauf-Test

14) Beispiel-Stückliste

15) Schnellstart

1. Prototyp mit Nucleo-L072 + RFM95

2. P2P TX/RX Beispiel → dann LoRaWAN Join via TTN

3. Sensoren + Payload implementieren, RTC Sleep nutzen

4. Gateway + Grafana-Backend aufsetzen

5. Feldtests Reichweite + Batterielaufzeit