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HC-SR04 Ultraschallsensor mit LoRaWAN (LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1)

Dieses Projekt liest Distanzmessungen vom HC-SR04 Ultraschallsensor aus und sendet die Daten über LoRaWAN. Die Messwerte werden zusätzlich auf einem OLED-Display angezeigt.

Hardware-Komponenten

• LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1 (ESP32 mit SX1276/SX1278 LoRa-Modul)
• HC-SR04 Ultraschallsensor
• OLED Display 128x64 (I2C, SSD1306)

Anschlussplan

HC-SR04 Ultraschallsensor

HC-SR04          LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1
--------         -----------------------
VCC       <-->   5V (Pin mit 5V-Label)
TRIG      <-->   GPIO 12
ECHO      <-->   GPIO 13
GND       <-->   GND

Wichtig:

• Der HC-SR04 sollte mit 5V betrieben werden für beste Ergebnisse
• Das ECHO-Signal gibt 5V aus! Um den ESP32 zu schützen, verwende einen Spannungsteiler:
  • ECHO → 1kΩ Widerstand → GPIO 13 → 2kΩ Widerstand → GND
  • Alternativ: Viele HC-SR04 Module haben bereits einen integrierten Spannungsregler
• GPIO 13 ist als INPUT sicher, solange das Signal nicht über 3.6V geht

OLED Display (SSD1306, 128x64, I2C)

OLED Display     LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1
------------     -----------------------
VCC       <-->   3.3V
GND       <-->   GND
SDA       <-->   GPIO 21
SCL       <-->   GPIO 22

Hinweis: Beim LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1 sind die I2C-Pins standardmäßig:

• SDA: GPIO 21
• SCL: GPIO 22

LoRa-Modul (bereits auf Board integriert)

Das LoRa-Modul SX1276/SX1278 ist bereits auf dem LilyGO Board integriert und nutzt folgende Pins:

LoRa SX1276      ESP32
-----------      -----
NSS (CS)  <-->   GPIO 18
RST       <-->   GPIO 23
DIO0      <-->   GPIO 26
DIO1      <-->   GPIO 33
DIO2      <-->   GPIO 32
MOSI      <-->   GPIO 27
MISO      <-->   GPIO 19
SCK       <-->   GPIO 5

Pinout-Übersicht LilyGO LoRa32 T3 V1.6.1

                    +------------------------+
                    | LilyGO LoRa32 T3 V1.6  |
                    |        (ESP32)          |
                    +------------------------+
                    |                        |
    HC-SR04 TRIG -> | GPIO 12         GPIO 21| <- OLED SDA
    HC-SR04 ECHO -> | GPIO 13         GPIO 22| <- OLED SCL
                    | GPIO 15         GPIO 23| <- LoRa RST
                    | GPIO 2           GPIO 5| <- LoRa SCK
                    | GPIO 4          GPIO 19| <- LoRa MISO
                    | GND             GPIO 27| <- LoRa MOSI
                    | 3.3V            GPIO 18| <- LoRa NSS
                    | 5V (VIN)        GPIO 26| <- LoRa DIO0
                    |                 GPIO 33| <- LoRa DIO1
                    |                 GPIO 32| <- LoRa DIO2
                    +------------------------+

Verfügbare freie GPIOs (falls du weitere Sensoren anschließen möchtest):

• GPIO 2, 4, 15, 25, 34, 35, 36, 39 (36/39 nur Input)

LoRaWAN-Konfiguration

1. The Things Network (TTN) / ChirpStack einrichten

Application erstellen

1. Melde dich bei TTN oder deinem ChirpStack-Server an
2. Erstelle eine neue Application

Device registrieren

1. Erstelle ein neues Device in deiner Application
2. Wähle OTAA (Over-The-Air Activation)
3. Notiere die folgenden Keys:
   • Device EUI (DevEUI) - 8 Bytes
   • Application EUI (AppEUI) - 8 Bytes
   • Application Key (AppKey) - 16 Bytes

2. Keys im Code eintragen

Öffne die Datei src/main.cpp und trage deine Keys ein:

// LoRaWAN Keys (hier deine echten Werte eintragen)
static const u1_t PROGMEM APPEUI[8]  = { 0x01, 0x00, 0x00, 0xD0, 0x7E, 0xD5, 0xB3, 0x70 };
static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8]  = { 0xB2, 0xA1, 0x05, 0xD0, 0x7E, 0xD5, 0xB3, 0x70 };
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0xA1, 0xB2, 0xC3, 0xD4, 0xE5, 0xF6, 0x07, 0x18, 0x29, 0x38, 0x47, 0x56, 0xAB, 0xCD, 0xEF, 0x12 };

Wichtig: Die Keys müssen in LSB (Least Significant Byte) Format eingetragen werden!

Beispiel: TTN Keys konvertieren

Wenn TTN dir die Keys so anzeigt:

DevEUI:  70B3D57ED005A1B2
AppEUI:  0000000000000001
AppKey:  A1B2C3D4E5F6071829...

Dann musst du sie für LMIC umkehren (LSB):

// DevEUI: 70B3D57ED005A1B2 -> LSB
static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8] = { 0xB2, 0xA1, 0x05, 0xD0, 0x7E, 0xD5, 0xB3, 0x70 };

// AppEUI: 0000000000000001 -> LSB
static const u1_t PROGMEM APPEUI[8] = { 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };

// AppKey: bleibt in MSB Format (wird nicht umgedreht)
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { 0xA1, 0xB2, 0xC3, 0xD4, 0xE5, 0xF6, 0x07, 0x18, ... };

3. Sendeintervall anpassen

Das Sendeintervall kann in src/main.cpp:32 angepasst werden:

const unsigned TX_INTERVAL = 30;  // Sendeintervall in Sekunden

Payload-Format

Der Sensor sendet die Distanz als 2 Bytes (uint16_t):

Byte	Beschreibung
0	High Byte (Distanz in mm)
1	Low Byte (Distanz in mm)

Beispiel:

• Distanz: 123.4 cm = 1234 mm
• Hex: 0x04D2
• Payload: 04 D2

Messbereich: 0 - 65535 mm (0 - 65.5 m)

ChirpStack Decoder

Füge folgenden Decoder in ChirpStack unter Device Profile → Codec ein:

JavaScript Decoder (ChirpStack v3)

function Decode(fPort, bytes) {
  // Decoder für HC-SR04 Ultraschallsensor
  // Payload: 2 Bytes - Distanz in Millimeter (uint16_t)

  if (bytes.length !== 2) {
    return {
      error: "Invalid payload length"
    };
  }

  // Distanz aus 2 Bytes (Big Endian) auslesen
  var distanceMm = (bytes[0] << 8) | bytes[1];

  // Umrechnung in verschiedene Einheiten
  var distanceCm = distanceMm / 10.0;
  var distanceM = distanceMm / 1000.0;

  return {
    distance_mm: distanceMm,
    distance_cm: distanceCm,
    distance_m: distanceM
  };
}

JavaScript Decoder (ChirpStack v4)

function decodeUplink(input) {
  // Decoder für HC-SR04 Ultraschallsensor
  // Payload: 2 Bytes - Distanz in Millimeter (uint16_t)

  var bytes = input.bytes;

  if (bytes.length !== 2) {
    return {
      errors: ["Invalid payload length"]
    };
  }

  // Distanz aus 2 Bytes (Big Endian) auslesen
  var distanceMm = (bytes[0] << 8) | bytes[1];

  // Umrechnung in verschiedene Einheiten
  var distanceCm = distanceMm / 10.0;
  var distanceM = distanceMm / 1000.0;

  return {
    data: {
      distance_mm: distanceMm,
      distance_cm: distanceCm,
      distance_m: distanceM
    }
  };
}

Decoder testen

Test-Payload: 04 D2 (1234 mm)

Erwartetes Ergebnis:

{
  "distance_mm": 1234,
  "distance_cm": 123.4,
  "distance_m": 1.234
}

The Things Network (TTN) Payload Formatter

Für TTN unter Applications → Payload Formatters → Uplink:

function decodeUplink(input) {
  var bytes = input.bytes;

  if (bytes.length !== 2) {
    return {
      errors: ["Invalid payload length"]
    };
  }

  // Distanz aus 2 Bytes (Big Endian) auslesen
  var distanceMm = (bytes[0] << 8) | bytes[1];

  return {
    data: {
      distance_mm: distanceMm,
      distance_cm: distanceMm / 10.0,
      distance_m: distanceMm / 1000.0
    }
  };
}

Installation und Verwendung

Voraussetzungen

• PlatformIO (VS Code Extension oder CLI)
• USB-Treiber für CP2102 (falls nicht installiert)

Projekt kompilieren und hochladen

# Projekt bauen
pio run

# Auf Board hochladen
pio run --target upload

# Serial Monitor öffnen
pio device monitor

Serial Monitor Ausgabe

Nach dem Upload solltest du folgende Ausgabe sehen:

Starte HC-SR04 + OLED + LoRa
Beitritt läuft...
Netzwerkbeitritt erfolgreich
Distanz gesendet:
Distanz: 123.4 cm
Distanz: 1234.0 mm
Nachricht übertragen.

Bibliotheken

Die benötigten Bibliotheken werden automatisch über PlatformIO installiert (siehe platformio.ini):

• gamegine/HCSR04 ultrasonic sensor - HC-SR04 Treiber
• adafruit/Adafruit SSD1306 - OLED Display
• adafruit/Adafruit GFX Library - Grafik-Bibliothek
• mcci-catena/MCCI LoRaWAN LMIC library - LoRaWAN Stack (wird automatisch vom Framework geladen)

Fehlerbehebung

Device joint nicht

• Überprüfe die Keys (DevEUI, AppEUI, AppKey)
• Achte auf LSB-Format bei DevEUI und AppEUI
• Prüfe die LoRaWAN-Frequenz (EU868, US915, etc.)
• Stelle sicher, dass ein Gateway in Reichweite ist

HC-SR04 liefert -1 oder fehlerhafte Werte

• Überprüfe die Verkabelung (TRIG → GPIO 15, ECHO → GPIO 13)
• Prüfe die Stromversorgung (min. 5V für HC-SR04 empfohlen)
• Halte Hindernisse im Messbereich (2 cm - 4 m)
• Verwende ggf. einen Spannungsteiler für ECHO (5V → 3.3V)

OLED Display zeigt nichts an

• Überprüfe die I2C-Verbindung (SDA → GPIO 21, SCL → GPIO 22)
• Prüfe die I2C-Adresse (Standard: 0x3C)
• Stelle sicher, dass die richtigen I2C-Pins verwendet werden (LilyGO T3 V1.6.1 nutzt GPIO 21/22)
• Verwende einen I2C-Scanner zur Diagnose

Kompilierungsfehler

# Cache löschen und neu bauen
pio run --target clean
pio run

Energieverbrauch

• Deep Sleep: Nicht implementiert (kontinuierlicher Betrieb)
• Stromverbrauch: ~100-150 mA (ESP32 + LoRa TX)
• Empfehlung: Für batteriebetriebenen Einsatz Deep Sleep zwischen Messungen implementieren

Lizenz

Dieses Projekt ist Open Source und steht unter der MIT-Lizenz.

Weitere Informationen

• LilyGO LoRa32 Hardware Repository
• LilyGO T3 V1.6.1 Pinout
• The Things Network
• ChirpStack Dokumentation
• MCCI LoRaWAN LMIC
• HC-SR04 Datasheet