Как да свържете LoRaWAN възел към TTN стъпка по стъпка

Informatec Digital » Ресурси » Как да свържете LoRaWAN възел към TTN стъпка по стъпка

Ако сте стигнали дотук, това е защото искате да знаете как да свържете LoRaWAN възел към TTN от началото до края , без да пропускате нищо: шлюзове, възли, сензори, библиотеки, ключове и мрежова конфигурация. Добрата новина е, че не е нужно да сте експерт по телекомуникации; с добре структурирано ръководство и малко търпение можете да настроите своя собствена функционална LoRaWAN мрежа за нула време.

В следващите редове ще видите стъпка по стъпка как да настроите шлюз, да го регистрирате в The Things Network, да добавите приложения и крайни устройства и да програмирате LoRaWAN възли, базирани на ESP32 или Arduino платки, както и примери с търговски сензори (SenseCAP, Decentlab, Dragino, Tabs Browan). Ще разгледаме и практически подробности, които не винаги се срещат в ръководствата: често срещани проблеми с ключове, избор на честота, физически връзки на пиновете и трикове за проверка дали всичко действително комуникира с TTN.

Какво представляват LoRa и LoRaWAN и защо да използваме TTN?

LoRa и LoRaWAN са две свързани понятия, но не са едно и също нещо . LoRa е нискоенергийна радиочестотна модулация с голям обхват, собственост на Semtech. LoRaWAN е мрежовият протокол, който разчита на LoRa, за да управлява начина, по който крайните устройства (възли) комуникират с шлюзове и мрежовия сървър.

В типична LoRaWAN мрежа има два основни компонента: шлюзове (gateways) и възли (nodes ). Шлюзовете (gateways) действат като „мостове“ между LoRa света (радио) и IP света (интернет), препращайки пакети към LoRaWAN сървъра. Възлите са сензорите или изпълнителните механизми, които изпращат и получават информация, използвайки LoRa, до и от тези шлюзове (gateways).

За да свържете всичко това, ви е необходим LoRaWAN сървър. Можете да платите за частна услуга (оператори като Movistar, Vodafone или платформи като Loriot, Actility, Kerlink) или да поемете по общностния път, използвайки The Things Network (TTN), която е публична, отворена мрежа, поддържана от общността.

TTN има предимството да зачита управлението на данните, да е неутрална и да ви позволява да добавяте шлюзове към мрежата . В много градове хората инсталират шлюзове по собствена инициатива и всеки може да се възползва от това покритие без разходи, различни от хардуера на възлите.

Честоти, канали и ограничения на LoRaWAN

Преди да закупите каквото и да е устройство, е изключително важно да се уверите, че LoRa честотата е съвместима с вашия регион . Работата в Европа не е същото като работата в Съединените щати или Азия; ако изберете грешна честота, устройството може да се окаже безполезно или дори незаконно.

В Европа се използва предимно честотната лента 868 MHz (EU868) . В Съединените щати типичната лента е 915 MHz (US915). Китайските търговци на дребно предлагат голямо разнообразие от 433 MHz модули, които може да са изкушаващи поради цената си, но те не винаги са съвместими с LoRaWAN или операционната система на вашата страна.

В допълнение към честотата, LoRaWAN е организирана в канали, коефициент на разпространение (SF) и честотни планове . SF определя скоростта и обхвата: по-висок SF означава по-голям обхват, но също така и повече време в ефир, което консумира повече енергия и заема повече канално пространство.

В Европа важи добре познатото „правило за 1%“ : всяко устройство може да заема радиоканала само за малък процент от времето, обикновено около 1%. Това ограничава честотата на изпращане на данни и е една от причините, поради които LoRaWAN сензорите обикновено предават на всеки няколко минути, а не на всеки няколко секунди.

Подготовка и избор на хардуер за шлюз и възли

За да изградите практическа мрежа, ще ви е необходим поне един LoRaWAN шлюз и един или повече възли (сензори) . Можете да комбинирате хардуер от различни производители, стига те да отговарят на стандарта LoRaWAN и да работят на една и съща честотна лента.

Един популярен модел вътрешен шлюз е Dragino LPS8 , който интегрира концентратор SX1308 и поддържа до 10 паралелни канала. Той се предлага предварително конфигуриран с различни честотни планове в зависимост от страната, а в Европа работи на 868 MHz. Захранва се от 5V чрез USB-C и се свързва към IP мрежата чрез RJ-45 или Wi-Fi.

Други примери за шлюзове, които работят добре с TTN, включват RAK7289 (за външна употреба, здрав и с LTE/4G опция) или официалните шлюзове TTN-GW-868 MHz, предназначени за разгръщане на покритие в градове или проекти за „Умни градове“. Възможно е също така да се изгради шлюз с една клетка с платка ESP32 и LoRa модул SX1262 , както е направено с комплекта Wio-SX1262 и Xiaomi ESP32S3.

Като възли имате две възможности: да използвате търговски сензори, които вече са готови за LoRaWAN (SenseCAP S210x, Tabs Browan TBHH100, Dragino TrackerD, Decentlab и др.) или да изградите свои собствени възли с развойни платки като TTGO LoRa32 V2.0, ESP32 + RMF95, Arduino + LoRa модул и др.

Конфигурирайте LoRaWAN шлюз и го свържете към TTN

Първата важна стъпка в проекта е да се пусне в експлоатация шлюза и да се появи „Connected“ (Свързан) в TTN . Въпреки че всеки производител има свое собствено табло за управление, концептуалните стъпки са много сходни.

Например, с Dragino LPS8 можете да го управлявате чрез SSH или HTTP . Ако го свържете чрез RJ-45 кабел, ще трябва да разберете IP адреса, зададен от DHCP сървъра (използвайки IP скенер или чрез вашия рутер). Ако предпочитате първоначална настройка чрез Wi-Fi, LPS8 създава своя собствена мрежа със SSID като „dragino-xxxxx“ и парола по подразбиране като „dragino+dragino“. Достъпът до IP адрес 10.130.1.1 ще ви отведе до уеб панела, където първоначалното потребителско име и парола обикновено са „admin/dragino“.

След като влезете, ще видите меню с няколко раздела, като някои опции може да имат червен кръст, което показва, че липсва конфигурация . Първата стъпка е да изберете правилния честотен план за вашия район в раздела LoRa; в Европа това е EU868 (приблизително 868 MHz).

След това докоснете раздела LoRaWAN или Мрежов сървър . Там определяте към кой LoRaWAN сървър ще се свърже шлюзът. За TTN изберете „TTN“ като доставчик и въведете адреса на европейския сървър (например eu1.cloud.thethings.network), като запазите UDP портовете (обикновено 1700 за качване и изтегляне). В същия раздел ще видите Gateway ID или EUI, който ще ни е необходим по-късно в TTN.

В секцията „Мрежа“ конфигурирате как шлюзът се свързва с интернет : LAN, WAN или Wi-Fi WAN. За WAN интерфейса можете да изберете статичен IP адрес или DHCP; когато е възможно, се препоръчва статичен IP адрес през кабелна връзка за по-стабилна връзка и по-лесен достъп за управление. Секцията LAN обикновено се използва за вътрешната мрежа от точки за достъп на шлюза; най-добре е да не променяте тази настройка, без да разбирате напълно какво правите, тъй като може да ви спаси живота, ако нещо се обърка.

В секцията WiFi можете да настроите както точката за достъп, генерирана от самия шлюз, така и връзката ѝ с външна WiFi мрежа . За сигурност се препоръчва да промените SSID и паролата по подразбиране на точката за достъп, които са фабрично зададени.

При шлюзовете RAK7289 процесът е подобен: достъп до уеб панела, конфигуриране на IP адреса (статичен или DHCP) чрез Мрежа → WAN интерфейс , след което в LoRa Мрежа → Мрежови настройки → Препращач на пакети въведете данните за TTN сървъра и запишете Gateway EUI, за да го регистрирате в TTN по-късно. Ако сте зад рутер, който предоставя DHCP, можете да намерите IP адреса на шлюза, като погледнете таблицата с лизинг (по име на хост, например "RAK7289") или използвате инструменти като nmap.

Регистрация на Gateway в The Things Network

След като шлюзът има достъп до интернет, трябва да го регистрирате в TTN . Ако нямате акаунт, първо се регистрирайте на уебсайта на The Things Network и след това отворете конзолата в съответния регион (например https://eu1.cloud.thethings.network/).

В конзолата изберете секцията „Шлюзове“ и кликнете върху „Регистрация на шлюз“ . TTN ще поиска Gateway ID (уникално име във вашия акаунт) и, в зависимост от типа на шлюза, Gateway EUI. За шлюзове Dragino LPS8, които използват класическия препращач на пакети, трябва да изберете опцията „Използвам стария препращач на пакети“.

Освен това ще посочите честотния план (EU868 за Европа) , съответния регион или рутер и по избор местоположението (координати, вътрешен/външен и др.). При шлюзове, като например едноклетъчния с XIAO ESP32S3 и Wio-SX1262, самият фърмуер може да показва Gateway ID чрез серийния порт при стартиране; просто го копирайте и го използвайте във формуляра за регистрация.

След попълване на тази информация и регистриране на шлюза, TTN ще покаже проверка на състоянието („Свързан“ или „Прекъснат“) и секция „Трафик“, където можете да видите потока от пакети в реално време. Ако всичко е конфигурирано правилно както на шлюза, така и на TTN, би трябвало да видите промяна в „Свързан“ в рамките на минута-две и да започнете да виждате трафик, когато възлите предават.

Това означава, че инфраструктурата (шлюз + сървър) вече е в експлоатация . Оттук нататък влиза в действие конфигурацията на приложенията и крайните устройства.

Създаване на приложения и регистрация на възли в TTN

В TTN устройствата не се регистрират директно в основата на акаунта, а по-скоро в приложенията . Приложението групира един или повече възли, които изпращат свързани данни, например всички сензори за околната среда в сграда или няколко GPS тракера в образователен проект.

В конзолата на TTN отидете в секцията „Приложения“ и създайте ново приложение . Дайте му уникален идентификатор, по избор описание и изберете подходящия регион. В това приложение ще регистрирате всеки LoRaWAN възел с неговите идентификационни данни (DevEUI, JoinEUI/AppEUI и AppKey или други ключове в зависимост от метода на активиране).

За търговски сензори, като например сензорите за температура и влажност Browan TBHH100-868 , обикновено е прикрепен етикет с DevEUI, AppEUI и AppKey. Те обикновено използват метода OTAA (Over-The-Air Activation), който генерира ключови сесии с всяко мрежово присъединяване, което го прави по-сигурен от ABP.

С OTAA, в TTN избирате да регистрирате ново крайно устройство, въвеждате JoinEUI (AppEUI), DevEUI и AppKey , проверявате данните и потвърждавате. След като бъдат запазени, ако възелът е правилно конфигуриран и е в обхвата на шлюз, той ще види мрежовите маяци, ще извърши процедурата по присъединяване и ще започнете да виждате съобщения за връзка с техните измервания в конзолата.

Същото важи и за сензори като сензорите за ниво и температура на Decentlab : производителят предоставя ID, DevEUI, AppEUI и AppKey, но не знае предварително кой сървър ще използвате. Вие носите отговорност за регистрирането на тази информация в TTN (или друг сървър), за да може сензорът да бъде регистриран. Много устройства на Decentlab се предлагат предварително регистрирани в TTN, ако го поискате, което допълнително опростява процеса.

Конфигуриране на търговски LoRaWAN сензори

Нека разгледаме някои конкретни примери за това как да подготвим и регистрираме търговски LoRaWAN сензори , които след това ще комуникират с TTN през вашия шлюз.

В гамата SenseCAP S210x (например, сензори за околната среда), типичният работен процес е да се използва приложението SenseCraft на производителя . Първо, изтегляте приложението, включвате сензора с бутон (като го задържите за няколко секунди, докато светодиодът започне да мига всяка секунда) и след това в приложението избирате „Сканиране“, за да прочетете QR кода на устройството.

В приложението има режим „Разширена конфигурация“, където избирате „The Things Network“ като платформа . Трябва да изберете същия честотен план като вашия шлюз (например EU868) и да проверите дали режимът на присъединяване е OTAA. Приложението ще покаже Device EUI, AppEUI (JoinEUI) и AppKey; добре е да ги запишете, защото ще трябва да ги въведете в TTN, когато регистрирате устройството.

В случая със сензора Tabs Browan TBHH100-868 , ключовете са предварително конфигурирани от фабриката. Сензорът измерва температура и влажност, захранва се от 3,6V батерия и предава данни съгласно следните правила: на всеки 60 минути, ако няма промяна, или по-рано, ако температурата се промени с ±2°C или влажността с ±5%. За да го регистрирате, просто въведете APPKey, APPEUI и DevEUI, предоставени от производителя, във вашия LoRaWAN сървър (например TTN). Понякога може да има проблем с формата или реда на байтовете (msb/lsb), така че е важно да проверите това, ако не се свърже от първия път.

Устройствата Dragino TrackerD се използват като GPS тракери с паник бутон. Всяко устройство има собствен набор от LoRaWAN ключове. В TTN те обикновено са регистрирани в едно и също приложение (напр. "проследяване на курс") и устройството се конфигурира, ако е необходимо, чрез сериен порт (USB) с помощта на AT команди. Документацията описва подробно командите за регулиране на скоростта на предаване, поведението на алармата и др. Важно: Много фърмуери на Dragino изискват AT командите да се поставят изцяло в терминала, а не да се въвеждат символ по символ.

При сензори като сензорите за ниво, налягане или околна среда на Decentlab , философията е подобна: DevEUI, AppEUI и AppKey се използват за свързването им към TTN (или друга мрежа). Decentlab обикновено задава интервал на предаване от 10 минути, защото това е доказан компромис между консумацията на данни и резолюцията, въпреки че това може да бъде променено при поискване или чрез конфигурация. Потребителите могат да преглеждат данните на собствената облачна платформа на производителя или да интегрират устройството в платформи на трети страни (MyDevices, ResIoT, WMW и др.), като добавят подходящ декодер за полезен товар.

Изградете свой собствен LoRaWAN възел с хардуер с отворен код

Ако обичате да експериментирате, най-забавното често е да изградите и програмирате свой собствен LoRaWAN възел . Много популярна комбинация е да използвате платка, базирана на ESP32, с интегриран LoRa, като например TTGO LoRa32 V2.0 868 MHz, и да добавите прост сензор, например температурен сензор DS18B20.

Този подход изисква четири части: контролната платка (ESP32, Arduino и др.), LoRa радио модула (например RFM95 тип SX1276/78), сензора, който искате да измервате , и по избор периферни устройства, като например OLED дисплей за локално показване на данни.

TTGO LoRa32 V2.0 се предлага с интегриран LoRa трансивър и, в зависимост от версията, малък OLED дисплей. Базиран на ESP32, той осигурява WiFi и Bluetooth, а в много случаи е идеален и за изграждане на едноканален мини шлюз, когато е свързан към интернет. На тази и подобни платки обаче някои сигнали от LoRa модула (DIO1, DIO2) не са предварително свързани към микроконтролера и ще трябва да ги свържете сами.

Например, TTGO LoRa32 V2.0 обикновено използва следното разположение на изводите за LoRa: SCK на GPIO5, MISO на GPIO19, MOSI на GPIO27, CS на GPIO18, RESET на GPIO14 и DIO0 на GPIO26 . DIO1 и DIO2 обикновено са физически свързани съответно с GPIO33 и GPIO32, които са разположени директно един срещу друг на противоположния ред, което прави използването на директен джъмпер много лесно.

Има три типични начина за осъществяване на тези връзки: запояване на проводниците директно към пиновете (за окончателно сглобяване), използване на джъмперни проводници, ако платката е на макета , или насочване на връзките към специална печатна платка, на която е включен TTGO. Опцията с джъмпер обикновено е най-удобна за тестване.

Софтуер за възли: LMIC библиотека, честота и TTN ключове

За програмиране на LoRaWAN възел на Arduino/ESP32, широко се използва библиотеката MCCI LoRaWAN LMIC , която имплементира LoRaWAN стека и управлява всичко, свързано с канали, присъединявания, повторни опити, прозорци за получаване и др.

Първо, инсталирайте библиотеката от мениджъра на библиотеките на Arduino IDE , като потърсите "LMIC" и изберете "MCCI LoRaWAN LMIC library". След инсталирането има важна подробност: по подразбиране е конфигурирана за US915 (САЩ), така че ако сте в Европа, трябва да я промените на EU868.

За да направите това, намерете файла lmic_project_config.h в папката на библиотеката (нещо като /Arduino/libraries/MCCI_LoRaWAN_LMIC_library/project_config/) и редактирайте дефинициите. Коментирайте CFG_us915 ​​​​и активирайте CFG_eu868, като също така се уверите, че е активиран правилният тип радио (например, CFG_sx1276_radio за модули SX1276/78). Това е еднократна промяна, която се прилага за всички ваши LMIC проекти.

След това отваряте един от включените примери, например ttn-abp , който периодично изпраща „Hello, world!“ като полезен товар. Този пример служи като основа за адаптирането му към вашата дъска и вашите TTN идентификационни данни.

В кода ще видите структура lmic_pinmap, която определя пиновете NSS (CS), RST и DIO . По подразбиране тя обикновено е картографирана за Feather M0 LoRa, така че ако използвате TTGO LoRa32 V2.0, ще трябва да промените тази структура, за да използвате .nss = 18, .rst = 14 и .dio = {26, 33, 32} (ако сте свързали DIO1 към GPIO33 и DIO2 към GPIO32). Ако вашият хардуер е различен, ще трябва да се консултирате с неговата документация или да намерите конкретен пример.

След като разпределението на пиновете е правилно, е време да конфигурирате ключовете, които идентифицират вашия възел в TTN . В примера ttn-abp, променливите NWKSKEY, APPSKEY и DEVADDR се появяват с думата FILLMEIN, така че можете да ги попълните със своите стойности.

Получавате тези данни от конзолата на TTN, когато създавате устройство с ABP активиране. TTN ви предоставя ключа за мрежова сесия (NWKSKEY), ключа за сесия на приложение (APPSKEY) и адреса на устройството (DEVADDR) . В интерфейса ключовете са скрити от съображения за сигурност, но можете да ги направите видими и, по-полезно, да копирате стойността директно като C масив (използвайки бутона "<>") с правилния байтов ред (msb). Щракването върху иконата за копиране копира масива в клипборда и можете просто да го поставите в кода си, където се намира всеки FILLMEIN.

За NWKSKEY и APPSKEY ще използвате формата на байтов масив, предоставен от TTN , докато за DEVADDR ще зададете шестнадесетичната стойност като едно цяло число от тип u4_t, например `static const u4_t DEVADDR = 0x26011111;`. С това вашият възел ще може да удостоверява и насочва пакетите си към вашето TTN приложение.

Интегрирайте сензори в кода на възела

След като скелетът на LoRaWAN заработи, е време да заменим типичното „Здравей, свят!“ с реални данни от сензори . Продължавайки с примера на TTGO LoRa32 и DS18B20, ще използваме шината OneWire и библиотеката DallasTemperature.

В началото на скицата, включете заглавките и дефинирайте пина на шината: `#include <OneWire.h>`, `#include <DallasTemperature.h>` и `#define ONE_WIRE_BUS X` , където X е GPIO пинът, към който сте свързали сензора. Създайте обекта `oneWire(ONE_WIRE_BUS)` от `OneWire` и обекта `sensor(&oneWire)` от `DallasTemperature`. Ако нямате инсталирана библиотеката DS18B20, добавете я от мениджъра на библиотеките.

Във функцията setup() инициализирате сензора със sensor.begin() и, ако желаете, задавате резолюция (например sensor.setResolution(11)) . От този момент нататък сензорът е готов да отчита температура, когато ви е необходима.

Ключовата функция в LMIC за изпращане на данни е `do_send(osjob_t* j)`. Вътре ще видите проверка за текущо предаване (`OP_TXRXPEND`). Ако няма такова, извиквате `sensor.requestTemperatures()`, получавате стойността с `sensor.getTempCByIndex(0)` и я съхранявате в масива `mydata`. Например, можете да използвате `mydata[0] = (uint8_t)sensor.getTempCByIndex(0);`, за да изпратите само целочислената част.

След това извиквате LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0) , където първият параметър е LoRaWAN портът (1 в този случай), вторият е буферът, третият е размерът, а последният показва дали съобщението е потвърдено (1) или непотвърдено (0). Библиотеката след това планира предаването в следващия наличен слот.

Има много възможни подобрения: разширяване на полезния товар, за да включва десетични данни, добавяне на други сензори, пакетиране на данни в ефективен двоичен формат и т.н. Но дори и в тази опростена версия, вече имате възел, който периодично изпраща измервания в реално време към TTN, видими на конзолата и готови за интегриране с други системи.

Активиране на OTAA, сигурност и практически опит

Досега обсъждахме основно ABP за примери на код, но в производствения процес е силно препоръчително да се използва OTAA (Over-The-Air Activation - Активиране по въздух) . OTAA е методът, използван например от сензори Decentlab и много сензори SenseCAP, защото подобрява сигурността.

С OTAA, LoRaWAN сесията се договаря „в ефир“ всеки път, когато устройството се присъедини към мрежата . Когато възелът се изключи, рестартира или загуби връзка, при следващото му присъединяване се генерират нови ключове за сесия, което затруднява клонирането на устройството просто чрез копиране на статични ключове.

В конзолата на TTN, когато изберете OTAA за устройство, вместо статични NWKSKEY и APPSKEY, ще имате DevEUI, JoinEUI/AppEUI и AppKey . Ключовете за сесия се конструират всеки път от тези стойности и обмена със сървъра и ще виждате само получените ключове за времетраенето на сесията.

На практика, потребители, започващи от нулата с LoRaWAN, са установили, че с регистриран в TTN шлюз и правилно конфигуриран OTAA сензор, процесът на регистрация може да бъде много прост : създайте акаунт в TTN, активирайте шлюза, регистрирайте сензора с ключовете, предоставени от производителя, и след няколко минути преглеждайте данни на уеб платформа (независимо дали е собствена на Decentlab, SenseCAP или табла за управление на трети страни).

Фактори като местоположението на LoRa кутията на сензора (най-добре във вертикално положение, което благоприятства диаграмата на излъчване на вътрешната антена) , радио средата и височината на шлюза оказват силно влияние върху действителното покритие, но процесът на настройка е доста механичен, след като се разбере.

От TTN до вашите приложения: интеграции и визуализация

След като възлите вече качват данни в TTN, следващата стъпка е да внесете тази информация във вашите собствени приложения, табла за управление или автоматизирани работни процеси . TTN предоставя мощни интеграции и API за това.

Много често срещан подход е използването на Node-RED за получаване на данни от TTN и обработката им според нуждите . Конфигурирате MQTT или HTTP връзка с вашите идентификационни данни за TTN приложение, декодирате полезния товар (според формата на вашите сензори) и оттам можете да правите практически всичко: да запазвате в бази данни, да показвате графики, да задействате предупреждения и т.н.

Друг вариант е да използвате платформи на трети страни, които вече се интегрират с TTN , като Datacake, MyDevices, ResIoT, WMW и други. Много от тези платформи вече имат специфични шаблони за устройства като сензори Decentlab или някои модели Dragino, така че просто трябва да изберете типа на устройството, да го свържете с вашето TTN приложение и да започнете да преглеждате данните на удобни за потребителя табла.

В образователни проекти, например, TTN е използван заедно с шлюзове RAK7289 и тракери Dragino TrackerD за локализиране на хора или превозни средства. Работният процес е следният: шлюзът е регистриран, тракерите са регистрирани в TTN, данните се преглеждат на конзолата и след това се показват в реално време на публично табло за управление на Datacake с карти и графики, показващи позиция, ниво на батерията и др.

Важното е да се разбере, че TTN действа като LoRaWAN мрежов слой и рутер за данни ; вие решавате слоя на приложението и визуализацията: от Python скрипт, който използва API, до индустриална IoT платформа за данни.

Накратко, свързването на LoRaWAN възел към TTN включва няколко стъпки (правилна честота, правилно конфигуриран шлюз, регистрация на TTN, ключове на възлите, активиране на OTAA или ABP, софтуер на устройството и, ако е необходимо, последващи интеграции), но всяка част е управляема дори без предварителен опит, ако се спазват правилните насоки. След като първоначалната настройка приключи, разполагането на повече възли или шлюзове се превръща в силно повтаряем и мащабируем процес, идеален за мащабни сензорни проекти, инициативи за интелигентни градове или просто за обучение и експериментиране с IoT с голям обхват.