RAK3172 oder RAK4631: Welches LoRaWAN-Modul passt zu deinem Projekt?

Du hast eine Idee für einen eigenen Sensorknoten, vielleicht einen Temperaturfühler im Keller oder einen Türkontakt im Gartenhaus, und stehst jetzt vor der Frage: RAK3172 oder RAK4631? Die kurze Antwort lautet: Der RAK3172 ist ein kleines, lötbares LoRaWAN-Modul, das du auf deine eigene Platine setzt oder per AT-Befehlen von einem anderen Mikrocontroller aus steuerst. Der RAK4631 ist ein WisBlock-Core, also eine fertige Steckplatine mit stärkerem Prozessor, Bluetooth und USB, die auf ein WisBlock-Base-Board gesteckt wird und sich direkt mit Arduino programmieren lässt.

Beide Module funken im 868-MHz-Band, beide sprechen LoRaWAN und LoRa Peer-to-Peer, und beide stammen von RAKwireless. Der Unterschied liegt in der Bauform, in der Rechenleistung, in der Art der Programmierung und in der Frage, ob du Bluetooth brauchst. Wenn du diese vier Punkte für dein Projekt beantwortet hast, ist die Wahl meistens schon gefallen. Im Folgenden gehen wir beide Module der Reihe nach durch und schauen dann auf die Details, die in der Praxis oft übersehen werden: die Firmware ab Werk, die TCXO-Frage und den tatsächlichen Stromverbrauch.

Was ist der RAK3172?

Der RAK3172 ist ein LoRa-Modul aus der WisDuo-Reihe von RAKwireless. Herzstück ist der STM32WLE5CC von ST, ein Chip, der einen 32-Bit-Mikrocontroller mit ARM-Cortex-M4-Kern und einen Sub-GHz-Funkteil in einem Gehäuse vereint. Es gibt also keinen getrennten Funkchip, der über SPI angebunden wird: Rechenkern und Funk sitzen auf demselben Silizium. Für den Programmcode stehen 256 kB Flash mit Fehlerkorrektur und 64 kB RAM zur Verfügung.

Mechanisch ist der RAK3172 ein Modul zum Auflöten. Er hat 32 Anschlüsse an den Rändern und wird wie ein Bauteil auf eine Trägerplatine gesetzt, die du selbst entwirfst oder als Breakout-Board kaufst. Nach außen führt er UART, I2C, SPI, mehrere ADC-Eingänge und frei nutzbare GPIOs. Die Versorgungsspannung liegt laut Datenblatt zwischen 2,0 und 3,6 V, typisch sind 3,3 V. Das macht ihn attraktiv für den Betrieb an einer Lithiumzelle oder zwei AA-Batterien mit Spannungsregler.

Die Variante im Shop ist die 8xx-MHz-Ausführung mit MHF1-Antennenbuchse (IPEX) und ohne TCXO, bei RAKwireless als RAK3172-8-SM-I mit der SKU 305045 geführt. Sie deckt die Frequenzpläne EU868, IN865 und RU864 ab, für Deutschland also genau das, was du für LoRaWAN brauchst. Daneben gibt es Ausführungen mit Lötpad statt Antennenbuchse, mit temperaturstabilisiertem Quarz (RAK3172-T) oder mit zusätzlichem Flash (RAK3172-F). Diese Varianten verhalten sich in einzelnen Punkten anders, deshalb gelten die Angaben in diesem Artikel für die Basisvariante ohne TCXO.

Auf der Protokollseite unterstützt der RAK3172 LoRaWAN 1.0.3 mit den Klassen A, B und C, Aktivierung per OTAA oder ABP sowie LoRa Peer-to-Peer ohne Netzwerkserver. Bluetooth oder WLAN hat er nicht.

Was ist der RAK4631?

Der RAK4631 ist ein WisBlock-Core, also die Recheneinheit des modularen WisBlock-Systems von RAKwireless. Auf einer Platine von 20 × 30 mm sitzen zwei Chips: der nRF52840 von Nordic Semiconductor als Mikrocontroller und der SX1262 von Semtech als LoRa-Transceiver. Der nRF52840 arbeitet mit einem Cortex-M4F-Kern bei 64 MHz und bringt 1 MB Flash und 256 kB RAM mit, also deutlich mehr Spielraum als der RAK3172. Außerdem enthält er einen Bluetooth-Low-Energy-Funkteil und eine native USB-Schnittstelle.

Im Unterschied zum RAK3172 lötest du den RAK4631 nicht auf. Er wird über einen Steckverbinder auf ein WisBlock-Base-Board gesetzt und dort festgeschraubt. Das Base Board übernimmt Spannungsversorgung, Akkuanschluss, USB-Buchse und die Steckplätze für Sensor- und IO-Module. So entsteht ein funktionsfähiger Knoten, ohne dass du eine eigene Platine entwerfen musst. Der Preis dafür: Du brauchst mindestens noch ein Base Board, und der Aufbau wird größer als eine reine Modullösung.

Laut Datenblatt sendet der SX1262 im RAK4631 mit bis zu 22 dBm, der Bluetooth-Teil mit bis zu +4 dBm. Für beide Funkteile gibt es je eine eigene IPEX-Antennenbuchse, was du auf dem Foto oben gut erkennst. Die Logikversorgung liegt bei 2,0 bis 3,6 V, über USB wird das Board mit 5 V gespeist. Der Betriebstemperaturbereich reicht von −40 bis +85 °C. Im Shop ist die Ausführung für 868 MHz erhältlich.

Wichtig ist eine Namensfeinheit: RAKwireless führt den RAK4631 mit Arduino-BSP und den RAK4631-R mit der RUI3-Firmware. Die Hardware ist laut Hersteller identisch, nur Software und Programmierweg unterscheiden sich. Am Rande: Viele Meshtastic-Knoten basieren ebenfalls auf dem RAK4631, in diesem Artikel geht es aber um den Einsatz als LoRaWAN-Knoten.

RAK3172 vs. RAK4631: Was ist der Unterschied?

Der grundlegende Unterschied ist die Architektur. Beim RAK3172 teilen sich Anwendung und Funkstack einen Chip mit begrenzten Ressourcen. Beim RAK4631 gibt es einen eigenen Funkchip, und der Mikrocontroller hat genug Reserven für umfangreichere Programme, Bluetooth und USB. Die folgende Tabelle stellt die wichtigsten Daten aus den beiden Datenblättern gegenüber.

Aus der Tabelle lässt sich eine einfache Faustregel ableiten. Wenn du ein kompaktes Gerät in Stückzahlen bauen willst oder bereits einen Mikrocontroller hast, der nur eine LoRaWAN-Verbindung braucht, ist der RAK3172 die schlankere Lösung. Er ist klein, sparsam und lässt sich per UART wie ein Funkmodem ansprechen. Wenn du dagegen schnell einen Prototyp aufbauen, ohne Lötarbeiten Sensoren anstecken und in der Arduino-IDE programmieren möchtest, ist der RAK4631 bequemer.

Ein häufiger Denkfehler ist der reine Preisvergleich der beiden Module. Der RAK3172 ist günstiger, aber ohne Trägerplatine, Spannungsregler, Programmieranschluss und Antennenkabel funktioniert er nicht. Der RAK4631 kostet mehr, und auch er braucht noch ein Base Board und eine Antenne. Vergleiche deshalb immer den vollständigen Aufbau bis zum funktionierenden Knoten, nicht zwei Einzelteile. Bei einem Einzelstück frisst der Entwurf einer eigenen Platine die Ersparnis schnell auf, bei hundert Geräten sieht die Rechnung anders aus.

RAK3172 mit AT-Befehlen oder eigener Firmware nutzen?

Ab Werk läuft auf dem RAK3172 die RUI3-Firmware von RAKwireless. Sie stellt über UART einen AT-Befehlssatz bereit, mit dem du das Modul wie ein Modem bedienst: Frequenzplan setzen, DevEUI, AppEUI und AppKey eintragen, dem Netz beitreten und Daten senden. Die Standard-Baudrate aktueller RUI3-Versionen liegt bei 115200. Für erste Tests reicht ein USB-Seriell-Adapter und ein Terminalprogramm. In einem fertigen Gerät übernimmt ein Host-Mikrocontroller diese Rolle, zum Beispiel ein ESP32 oder ein kleiner AVR, der Sensoren ausliest und die Messwerte per AT-Befehl verschickt.

Dieser Weg hat einen klaren Vorteil: Du musst dich nicht um den LoRaWAN-Stack kümmern, denn der ist fertig implementiert und wird von RAKwireless gepflegt. Der Nachteil ist ein zweiter Prozessor, der Platz und Strom kostet und eigene Firmware braucht.

Die Alternative ist, deine Anwendung direkt auf dem STM32WLE5 laufen zu lassen. RUI3 bietet dafür eine Arduino-API: Du installierst das RAKwireless-Board-Paket in der Arduino-IDE, schreibst deinen Sketch und lädst ihn als Firmware auf das Modul. Der LoRaWAN-Stack bleibt dabei erhalten, und du sparst dir den Host-Prozessor. Bei einfachen Aufgaben wie dem Auslesen eines I2C-Sensors und dem periodischen Senden reichen die 256 kB Flash locker aus.

Wer noch tiefer einsteigen möchte, kann auch ganz ohne RUI3 mit dem STM32Cube-Ökosystem von ST arbeiten. Dann bist du aber selbst für den LoRaWAN-Stack verantwortlich, und die AT-Befehle sind weg. Zum Flashen nennt RAKwireless zwei Wege: eine .bin-Datei über das RAK DFU Tool oder WisToolBox sowie eine .hex-Datei mit Bootloader über den STM32CubeProgrammer. Beachte, dass das Aufspielen der .hex-Datei alle gespeicherten Einstellungen löscht, also auch deine Schlüssel. Außerdem gibt es für die Basisvariante ein eigenes Firmware-Image (RAK3172-E), das laut Hersteller nicht auf dem RAK3172-T oder RAK3172-F läuft. Ältere Module mit Firmware bis Version 1.0.4 nutzen noch kein RUI3 und brauchen eine Migration.

RAK4631 mit Arduino programmieren: Wie startest du?

Der RAK4631 ist für viele der einfachste Einstieg in die Programmierung eines LoRaWAN-Knotens, weil du ihn per USB-Kabel direkt am Rechner programmierst. Du brauchst den Core, ein WisBlock-Base-Board mit USB-Buchse, eine LoRa-Antenne und die Arduino-IDE. Schließe die Antenne immer an, bevor du das erste Mal sendest, denn ein Betrieb ohne Antenne kann die Endstufe beschädigen.

In der Arduino-IDE trägst du in den Voreinstellungen die Board-Verwaltungs-URL von RAKwireless ein und installierst anschließend das passende Board-Paket. Hier entscheidet sich, welchen Weg du gehst. Mit dem klassischen Arduino-BSP für den nRF52840 nutzt du für LoRaWAN typischerweise die Bibliothek SX126x-Arduino und arbeitest mit den Beispielen aus dem WisBlock-Repository auf GitHub. Mit dem RUI3-Paket für den RAK4631-R schreibst du deinen Sketch gegen die RUI3-API und kannst das Board zusätzlich über AT-Befehle konfigurieren. Beide Wege funktionieren, aber Beispiele aus dem einen passen nicht ohne Anpassung zum anderen. Prüfe deshalb vor dem Start, welche Firmware auf deinem Board läuft, und bleib bei einem Weg.

Zum Hochladen wählst du das Board und den seriellen Port aus und klickst auf Hochladen. Klappt das nicht, hilft meistens ein doppelter Druck auf die Reset-Taste des Base Boards: Damit startet der Bootloader, und der Port erscheint neu. Für den ersten Test lohnt sich ein Beispielsketch für OTAA-Join. Trage DevEUI, AppEUI und AppKey aus deinem Netzwerkserver ein, wähle den Frequenzplan EU868 und beobachte im seriellen Monitor, ob der Join gelingt. Wenn das klappt, ist die Hardware in Ordnung und du kannst Sensor-Module ergänzen.

Hat der RAK3172 Bluetooth?

Nein. Der STM32WLE5 im RAK3172 hat ausschließlich einen Sub-GHz-Funkteil für LoRa und (G)FSK. Bluetooth Low Energy gibt es dort nicht, und auch kein Firmware-Update ändert daran etwas. Wenn dein Gerät per Smartphone eingerichtet werden soll, brauchst du also entweder einen zusätzlichen BLE-Chip auf deiner Platine oder einen anderen Core. RAKwireless bietet für diesen Fall auch ein pinkompatibles Modul mit BLE an, das wir allerdings nicht führen.

Der RAK4631 bringt BLE 5.0 dagegen direkt mit, weil der nRF52840 einen Bluetooth-Funkteil enthält. Das ist praktisch, wenn du Einstellungen per App ändern, Messwerte vor Ort auslesen oder Firmware drahtlos aktualisieren willst. Bedenke aber: Die Hardware allein macht noch keine App-Anbindung. Ob und wie Bluetooth genutzt wird, entscheidet deine Firmware. Und wenn du Bluetooth gar nicht brauchst, weil der Knoten nur alle paar Minuten einen Messwert schickt und sonst schläft, ist das kein Argument für den RAK4631.

RAK3172 mit oder ohne TCXO: Was bedeutet das?

TCXO steht für temperaturkompensierten Quarzoszillator. Der Oszillator liefert den Takt, aus dem das Modul seine Sendefrequenz erzeugt. Ein normaler Quarz verändert seine Frequenz leicht mit der Temperatur, ein TCXO gleicht diese Drift aus. RAKwireless gibt für den RAK3172-T eine Genauigkeit von ±2,5 ppm an, für den RAK3172-TE sogar ±0,5 ppm. Die Basisvariante im Shop hat keinen TCXO, sondern einen herkömmlichen Quarz.

Warum ist das wichtig? LoRa toleriert eine gewisse Frequenzabweichung zwischen Sender und Empfänger, aber nicht unbegrenzt. Kritisch wird es bei langen Symbolen, also hohen Spreading Factors wie SF11 und SF12, schmalen Bandbreiten und großen Temperaturschwankungen. Dann kann die Drift so groß werden, dass das Gateway Pakete nicht mehr sauber empfängt. Bei LoRaWAN im EU868-Band mit 125 kHz Bandbreite und gemäßigten Temperaturen fällt das in der Praxis meist nicht ins Gewicht.

Ein zweiter, ganz handfester Unterschied ist der Temperaturbereich. Der RAK3172 ohne TCXO ist laut Datenblatt für −20 bis +85 °C spezifiziert, die Varianten mit TCXO für −40 bis +85 °C. Für einen Sensor im Wohnhaus, im Keller oder im Büro ist die Basisvariante passend. Für ein Gerät, das draußen im Gehäuse an einer Nordwand hängt oder in einem Kühlhaus arbeitet, lohnt sich ein Blick auf die TCXO-Variante. Achte beim Flashen darauf, dass du das zur Hardware passende Image verwendest, denn die Firmware unterscheidet sich zwischen den Varianten.

Wie viel Strom verbrauchen RAK3172 und RAK4631?

Die Datenblätter nennen für den RAK3172 einen Schlafstrom von 1,69 µA, einen Empfangsstrom von 5,22 mA und einen Sendestrom von 87 mA bei 20 dBm auf 868 MHz. Für den RAK4631 stehen 2,0 µA im Schlaf (LoRa und BLE schlafend), 17 mA beim LoRa-Empfang sowie 92 mA beim Senden mit 17 dBm und rund 125 mA mit 20 dBm. Bluetooth kostet beim RAK4631 etwa 9 mA beim Senden mit 4 dBm und 11,5 mA beim Empfang.

Auf den ersten Blick wirkt der RAK3172 deutlich sparsamer. Für die Batterielaufzeit zählt aber der Durchschnitt über einen ganzen Messzyklus, und der hängt vor allem davon ab, wie lange gesendet wird. Ein Beispiel: Ein Knoten schickt alle 15 Minuten einen kurzen Messwert. Bei SF7 dauert die Übertragung deutlich unter 0,1 Sekunden, bei SF12 über eine Sekunde. Mit 87 mA und einer Sekunde Sendezeit ergibt das gemittelt rund 97 µA, mit 0,07 Sekunden nur knapp 7 µA. Der Unterschied im Schlafstrom von etwa 0,3 µA zwischen den beiden Modulen ist dagegen kaum messbar. In Europa sendest du im 868-MHz-Band außerdem meist mit maximal 14 dBm, die tatsächlichen Sendeströme liegen dann unter den Werten bei 20 dBm.

Viel stärker als das Modul selbst wirkt sich der Rest der Schaltung aus. Beim RAK4631 zieht das Base Board mit Laderegler, Spannungswandler und eventuell einer Status-LED zusätzlich Strom. Ein Sensor, der dauerhaft versorgt bleibt, kann den Schlafstrom des Cores um ein Vielfaches übertreffen. Beim RAK3172 gilt dasselbe für deine eigene Platine und einen Host-Prozessor, falls du mit AT-Befehlen arbeitest. Miss deshalb immer den fertigen Aufbau über einen vollständigen Zyklus, mit einem Messgerät, das sowohl Mikroampere als auch kurze Stromspitzen erfasst. Erst dann weißt du, ob zwei AA-Zellen ein Jahr oder fünf Jahre halten.

LoRaWAN-Modul kaufen: Worauf solltest du achten?

Bevor du ein LoRaWAN-Modul bestellst, kläre die Bauform: Willst du eine eigene Platine entwerfen oder lieber stecken statt löten? Prüfe dann die Frequenzvariante, für Deutschland muss es EU868 sein. Überlege, ob du Bluetooth wirklich brauchst oder ob der Knoten nur misst und sendet. Lege den Firmware-Weg fest, also AT-Befehle über einen Host, RUI3 mit Arduino-API oder eine eigene Firmware, denn davon hängen Werkzeuge und Beispiele ab. Bei Geräten für den Außeneinsatz lohnt ein Blick auf Temperaturbereich und TCXO. Und plane alle Zusatzteile ein, die bis zum fertigen Knoten fehlen: Antenne mit passendem Stecker, Trägerplatine oder Base Board, Spannungsversorgung und Gehäuse.

Ob RAK3172 oder RAK4631 das richtige LoRaWAN-Modul für dein Projekt ist, entscheidet sich an diesen Punkten. Wenn du eines der beiden Module suchst, findest du sie in der Kategorie Funkmodule.