Com connectar un node LoRaWAN a TTN pas a pas

Informatec Digital » Recursos » Com connectar un node LoRaWAN a TTN pas a pas

Si has arribat fins aquí és perquè vols saber com connectar un node LoRaWAN a TTN de principi a fi, sense deixar-te res al tinter: gateways, nodes, sensors, llibreries, claus i configuració de xarxa. El millor és que no necessites ser un guru de les telecomunicacions; amb una guia ben estructurada i una mica de paciència, pots muntar la teva pròpia xarxa LoRaWAN funcional en molt poc temps.

A les properes línies veuràs, pas a pas, com muntar un gateway, registrar-lo a The Things Network, donar d'alta aplicacions i dispositius finals, i programar nodes LoRaWAN basats en plaques tipus ESP32 o Arduino, a més d'exemples amb sensors comercials (SenseCAP, Decentlab, Dragino, Tabs Browan). També veurem detalls pràctics que no sempre apareixen als manuals: problemes habituals amb les claus, elecció de freqüència, connexió física de pins i trucs per verificar que tot està realment parlant amb TTN.

Què és LoRa i LoRaWAN, i per què fer servir TTN

LoRa i LoRaWAN són dos conceptes relacionats, però no són el mateix. LoRa és una modulació de radiofreqüència de llarg abast i baix consum, propietat de Semtech. LoRaWAN és el protocol de xarxa que es recolza a LoRa per gestionar com es comuniquen els dispositius finals (nodes) amb els gateways i amb el servidor de xarxa.

En una xarxa LoRaWAN típica tenim dues grans peces: els gateways i els nodes. Els gateways actuen com a “ponts” entre el món LoRa (ràdio) i el món IP (internet), reenviant els paquets al servidor LoRaWAN. Els nodes són els sensors o actuadors que envien i reben informació usant LoRa cap a aquests gateways.

Per connectar tot això necessites un servidor LoRaWAN. Pots pagar un servei privat (operadors com Movistar, Vodafone o plataformes com Loriot, Actility, Kerlink) o llençar per la via comunitària usant The Things Network (TTN), que és una xarxa pública, oberta i mantinguda per la comunitat.

TTN té l'avantatge que respecta la governança de les dades, és neutral i et permet aportar gateways a la xarxa. A moltes ciutats hi ha gent que instal·la gateways per iniciativa pròpia i qualsevol pot beneficiar-se d'aquesta cobertura sense cap cost més que el maquinari dels nodes.

Freqüències, canals i limitacions de LoRaWAN

Abans de comprar cap dispositiu és clau tenir clar que la freqüència LoRa ha de ser compatible amb la teva regió. No és el mateix treballar a Europa que als Estats Units o Àsia; si t'equivoques de banda, el dispositiu pot ser inútil o fins i tot il·legal.

A Europa s'utilitza principalment la banda de 868 MHz (EU868). Als Estats Units la banda típica és 915 MHz (US915). A les botigues xineses abunden mòduls a 433 MHz, que poden ser temptadors per preu, però no sempre són vàlids per a LoRaWAN o per al teu país.

A més de la freqüència, LoRaWAN s'organitza a canals, spreading factor (SF) i plans de freqüència. L'SF defineix la velocitat i l'abast: un SF més alt implica més abast però més temps a l'aire, cosa que consumeix més energia i ocupa més canal.

A Europa aplica la famosa “regla del 1%”: cada dispositiu només pot ocupar el canal radioelèctric un petit percentatge del temps, normalment al voltant de l'1%. Això limita cada quant pots enviar dades, i és un dels motius pels quals els sensors LoRaWAN solen transmetre cada uns quants minuts, no cada pocs segons.

Preparatius i elecció del maquinari per a gateway i nodes

Per muntar una xarxa pràctica necessitaràs almenys un gateway LoRaWAN i un o diversos nodes (sensors). Podem combinar maquinari de fabricants diferents, sempre que respectin l'estàndard LoRaWAN i la mateixa banda de freqüència.

Com a gateway d'interior un dels models molt utilitzats és el Dragino LPS8, que integra concentrador SX1308 i permet fins a 10 canals en paral·lel. Porta preconfigurats diferents plans de freqüència segons el país, ia Europa treballarà a 868 MHz. S'alimenta amb 5 V per USB-C, i es connecta a la xarxa IP per RJ-45 o per WiFi.

Altres exemples de gateways que encaixen bé amb TTN són els RAK7289 (per a exteriors, robustos i amb opció LTE/4G) o els gateways oficials TTN-GW-868 MHz, pensats per desplegar cobertura a ciutats o projectes de Smart City. També és possible muntar un gateway monoclano amb una placa ESP32 i un mòdul LoRa SX1262, com es fa amb el kit Wio-SX1262 al costat d'una XIAO ESP32S3.

Com a nosaltres tens dos camins: utilitzar sensors comercials ja llestos per a LoRaWAN (SenseCAP S210x, Tabs Browan TBHH100, Dragino TrackerD, Decentlab, etc.) o construir els teus propis nodes amb plaques de desenvolupament tipus TTGO LoRa32 V2.0, ESP32 + RMF95, Arduino + mòdul LoRa, etc.

Configurar un gateway LoRaWAN i connectar-lo a TTN

El primer gran bloc del projecte és posar en marxa el gateway i aconseguir que aparegui “Connected” a TTN. Tot i que cada fabricant té el seu panell propi, els passos conceptuals són molt semblants.

Amb un Dragino LPS8, per exemple, pots gestionar-ho per SSH o per HTTP. Si el connectes per cable RJ-45, hauràs d'esbrinar la IP que li ha assignat el servidor DHCP (amb un IP scanner o des del teu router). Si preferiu la configuració inicial via WiFi, el LPS8 crea la vostra pròpia xarxa amb SSID tipus “dragino-xxxxx” i contrasenya per defecte “dragino+dragino”. Accedint a la IP 10.130.1.1 entres al panell web, on l'usuari i la clau inicial solen ser “admin/dragino”.

En entrar veuràs un menú amb diverses seccions, i potser algunes opcions surtin amb una aspa vermella indicant que falta configuració. El primer és seleccionar a la pestanya LoRa el pla de freqüències correcte per a la teva zona; a Europa EU868 (aprox. 868 MHz).

Després toca la pestanya LoRaWAN o Network Server. Aquí defineixes a quin servidor LoRaWAN es connectarà el gateway. Per a TTN, tries “TTN” com a proveïdor i poses la direcció del servidor europeu (per exemple eu1.cloud.thethings.network), mantenint els ports UDP (normalment 1700 per a pujada i baixada). En aquest mateix apartat veuràs el Gateway ID o EUI, que necessitarem després a TTN.

A la part de xarxa (Network) configures com es connecta el gateway a internet: LAN, WAN o WiFi WAN. Per a la interfície WAN pots triar IP estàtica o DHCP; sempre que pugueu, és recomanable IP estàtica per cable per tenir una connexió més estable i facilitar l'accés de gestió. La part LAN sol utilitzar-se per a la xarxa interna AP del gateway; convé no canviar-la sense saber gaire bé el que fas, perquè pot ser la teva salvavides si alguna cosa va malament.

A la secció WiFi podràs ajustar tant el punt d'accés que genera el mateix gateway com la connexió a una xarxa WiFi externa. Per seguretat, és recomanable canviar SSID i contrasenya per defecte de l'AP que ve de fàbrica.

A gateways RAK7289, la idea és semblant: entres al panell web, configures la IP (estàtica o DHCP) des de Network → WAN Interface i després, a LoRa Network → Network Settings → Packet Forwarder, introdueixes les dades del servidor TTN i anotes el Gateway EUI per registrar-lo més tard a TTN. Si esteu darrere d'un router que dóna DHCP, podeu localitzar la IP del gateway mirant la taula d'arrendaments (per hostname, per exemple “RAK7289”) o amb eines tipus nmap.

Registre del gateway a The Things Network

Quan el gateway tingui sortida a internet, toca donar-li d'alta a TTN. Si no tens compte, primer et registres a la web de The Things Network i després accedeixes a la consola (Console) a la regió corresponent (per exemple https://eu1.cloud.thethings.network/).

Dins la consola selecciones la secció Gateways i polses a “Register gateway”. TTN us demanarà un Gateway ID (un nom únic dins del vostre compte) i, depenent del tipus de gateway, el Gateway EUI. Per a gateways tipus Dragino LPS8 que usen el packet forwarder clàssic, heu de marcar l'opció “I'm using the legacy packet forwarder”.

A més, indicaràs el pla de freqüència (EU868 per a Europa), la regió o router corresponent i, opcionalment, la localització (coordenades, interior/exterior, etc.). A gateways com el monoclà amb XIAO ESP32S3 i Wio-SX1262, el mateix firmware pot mostrar el Gateway ID pel port sèrie en arrencar; simplement el copies i l'utilitzes al formulari de registre.

Després de completar aquestes dades i registrar el gateway, TTN mostrarà una fitxa on podràs comprovar el estat (“Connected” o “Disconnected”) i un apartat “Traffic” on veure el flux de paquets en temps real. Si tot està ben configurat tant al gateway com a TTN, al cap d'un o dos minuts ho hauries de veure passar a “Connected” i començar a veure trànsit quan hi hagi nodes transmetent.

Amb això es considera que la part d'infraestructura (gateway + servidor) ja és operativa. A partir d´aquí entra en joc la configuració d´aplicacions i dispositius finals.

Creació d'aplicacions i alta de nodes a TTN

A TTN els dispositius no es registren directament a l'arrel del compte, sinó dins de aplicacions (Applications). Una aplicació agrupa un o diversos nodes que envien dades relacionades, per exemple, tots els sensors ambientals d'un edifici, o diversos trackers GPS d'un projecte educatiu.

A la consola de TTN accedeixes a la secció Applications i crees una nova aplicació. Li dónes un ID únic, opcionalment una descripció i tries la regió adequada. Dins aquesta aplicació registraràs cada node LoRaWAN amb les seves credencials (DevEUI, JoinEUI/AppEUI i AppKey o altres claus segons el mètode d'activació).

Per a sensors comercials com els Tabs Browan TBHH100-868 de temperatura i humitat, sol venir enganxada una etiqueta amb DevEUI, AppEUI i AppKey. El normal és que usin el mètode OTAA (Over-The-Air Activation), que genera sessions de claus a cada join a la xarxa, sent més segur que ABP.

Amb OTAA, a TTN tries registrar un nou dispositiu final (End device), introdueixes JoinEUI (AppEUI), DevEUI i AppKey, verifiques bé les dades i confirmes. Un cop desat, si el node està correctament configurat i en rang d'un gateway, veureu les beacons de la xarxa, feu el procediment de join ia la consola començareu a veure missatges uplink amb les vostres mesures.

El mateix aplica a sensors com els Decentlab de nivell i temperatura: el fabricant proporciona ID, DevEUI, AppEUI i AppKey, però no sap per endavant quin servidor utilitzaràs. Ets tu qui registra aquestes dades a TTN (o un altre servidor) perquè el sensor es pugui donar d'alta. Molts dispositius Decentlab vénen ja registrats de fàbrica a TTN si ho demanes així, cosa que simplifica encara més el procés.

Configuració de sensors LoRaWAN comercials

Vegem alguns exemples concrets de com preparar i registrar sensors LoRaWAN comercials que després parlaran amb TTN a través del teu gateway.

A la gamma SenseCAP S210x (per exemple sensors ambientals), el flux típic és usar la app SenseCraft del fabricant. Primer descarregues l'aplicació, encens el sensor amb un botó (mantenint-lo premut uns segons fins que el LED parpelleja cada segon) ia l'app selecciones “Scan” per llegir el codi QR del dispositiu.

Dins l'app hi ha una manera de “Advanced Configuration” en què tries “The Things Network” com a plataforma. Heu de seleccionar el mateix pla de freqüència que el vostre gateway (per exemple EU868) i comprovar que el mode d'unió és OTAA. L'aplicació us mostrarà el Device EUI, AppEUI (JoinEUI) i AppKey; convé anotar-los perquè són els que hauràs de ficar a TTN en registrar el dispositiu.

En el cas del sensor Tabs Browan TBHH100-868, les claus vénen ja configurades de fàbrica. El sensor mesura la temperatura i la humitat, alimentat amb una pila de 3,6 V, i transmet segons aquestes regles: cada 60 minuts si no hi ha variació, o abans si la temperatura canvia ±2 °C o la humitat ±5 %. Per donar-lo d'alta simplement introduïu APPKey, APPEUI i DevEUI proporcionats pel fabricant al vostre servidor LoRaWAN (TTN, per exemple). De vegades pot haver-hi algun problema de format od'ordre de bytes (msb/lsb), així que és important revisar aquest detall si no s'uneix a la primera.

Els trackers Dragino TrackerD s'usen com a localitzadors GPS amb botó de pànic. Cada unitat té el seu conjunt de claus LoRaWAN. A TTN es registren normalment a la mateixa aplicació (per exemple “curso-tracking”) i al dispositiu se'l configura, si cal, per port sèrie (USB) usant ordres AT. A la documentació es detallen ordres per ajustar la cadència d'enviament, el comportament de l'alarma, etc. Important: molts firmwares de Dragino requereixen que les ordres AT s'enganxin sencers al terminal, no que es teclegin caràcter a caràcter.

En sensors com els Decentlab de nivell, pressió o ambientals, la filosofia és similar: DevEUI, AppEUI i AppKey s'usen per connectar-los a TTN (o una altra xarxa). Decentlab sol fixar un interval de transmissió de 10 minuts perquè és un compromís molt provat entre consum i resolució de dades, encara que es pot modificar en comanda o per configuració. L'usuari pot visualitzar les dades a la plataforma al núvol del propi fabricant o integrar el dispositiu en plataformes de tercers (MyDevices, ResIoT, WMW, etc.) afegint el descodificador de payload adequat.

Construir el teu propi node LoRaWAN amb maquinari lliure

Si t'agrada fer xerrameca, el més divertit sol ser muntar i programar el teu propi node LoRaWAN. Un combo molt popular és fer servir una targeta basada en ESP32 amb LoRa integrat, com la TTGO LoRa32 V2.0 868 MHz, i afegir un sensor senzill, per exemple un DS18B20 de temperatura.

En aquest enfocament necessites quatre peces: la targeta de control (ESP32, Arduino, etc.), el mòdul de ràdio LoRa (per exemple un SX1276/78 tipus RFM95), el sensor que vulguis mesurar i, opcionalment, perifèrics com una pantalla OLED per mostrar dades localment.

La TTGO LoRa32 V2.0 porta ja integrat el transceptor LoRa i, segons la versió, també un petit display OLED. Basada en ESP32, et dóna WiFi i Bluetooth, i en molts casos també és perfecta per muntar-te un mini gateway d'un canal si la connectes a internet. Això sí, en aquesta placa i altres de semblants, alguns senyals del mòdul LoRa (DIO1, DIO2) no vénen connectats al microcontrolador i les hauràs de cablejar tu mateix.

Per exemple, a la TTGO LoRa32 V2.0 se sol utilitzar el següent pinout per a LoRa: SCK a GPIO5, MISS a GPIO19, MOSI a GPIO27, CS a GPIO18, RESET a GPIO14 i DIO0 a GPIO26. Per DIO1 i DIO2, se solen connectar físicament a GPIO33 i GPIO32, respectivament, que es troben just davant de la fila oposada, cosa que fa molt senzill tirar un jumper directe.

Hi ha tres maneres típiques de fer aquestes unions: soldar cables directament als pins (per a un muntatge definitiu), fer servir cables jumper si la placa està en un protoboard o rutejar les connexions en una PCB pròpia sobre la qual es “punxa” la TTGO. L'opció jumper sol ser la més còmoda per a proves.

Programari del node: llibreria LMIC, freqüència i claus TTN

Per programar un node LoRaWAN a Arduino/ESP32 es fa servir molt la llibreria MCCI LoRaWAN LMIC, que implementa l'stack LoRaWAN i gestiona tot allò relatiu a canals, join, reintents, finestres de recepció, etc.

Primer instal·les la llibreria des del Administrador de biblioteques de l'IDE d'Arduino buscant “LMIC” i escollint “MCCI LoRaWAN LMIC library”. Un cop instal·lada, hi ha un detall crític: per defecte ve configurada per a US915 (Estats Units), així que si ets a Europa has de canviar-la a EU868.

Per això busques l'arxiu lmic_project_config.h dins de la carpeta de la llibreria (una mica com /Arduino/libraries/MCCI_LoRaWAN_LMIC_library/project_config/) i edites les definicions. Comentaràs CFG_us915 ​​i activaràs CFG_eu868, deixant també habilitat el tipus de ràdio correcte (per exemple CFG_sx1276_radio per a mòduls SX1276/78). És un canvi que es fa una sola vegada i aplica a tots els projectes LMIC.

Després obris un dels exemples inclosos, per exemple ttn-abp, que envia periòdicament un “Hello, world!” com a payload. Aquest exemple serveix de base per adaptar-lo a la teva placa i credencials de TTN.

Al codi veuràs una estructura lmic_pinmap on s'especifiquen els pins NSS (CS), RST i DIO. Per defecte sol venir mapejada per a la Feather M0 LoRa, així que si uses una TTGO LoRa32 V2.0 hauràs de canviar aquesta estructura perquè utilitzi .nss = 18, .rst = 14 i .dio = {26, 33, 32} (assumint que has cablejat DIO1 a IO2) Si el maquinari és diferent, haureu de revisar la vostra documentació o cercar un exemple específic.

Quan el pinout està bé, toca configurar les claus que identifiquen el teu node a TTN. A l'exemple ttn-abp les variables NWKSKEY, APPSKEY i DEVADDR apareixen amb la paraula FILLMEIN perquè les emplenis amb els teus valors.

Aquestes dades les obtens de la consola de TTN en crear un dispositiu amb activació per ABP. TTN t'ofereix Network Session Key (NWKSKEY), App Session Key (APPSKEY) i Device Address (DEVADDR). A la interfície, les claus es mostren ocultes per seguretat, però les pots fer visibles i, el més útil, pots copiar el valor directament en format array de C (botó “<>”) i amb l'ordre de bytes correcte (msb). Polsant la icona de copiar, portes l'array llest al porta-retalls i simplement l'enganxes al teu codi on és cada FILLMEIN.

Per NWKSKEY i APPSKEY utilitzaràs el format array de bytes que TTN et proporciona, mentre que per a DEVADDR posaràs el valor en hexadecimal com un únic sencer de tipus u4_t, per exemple static const u4_t DEVADDR = 0x26011111;. Amb això el teu node ja es podrà autenticar i encaminar els seus paquets a la teva aplicació TTN.

Integrar sensors al codi del node

Quan l'esquelet LoRaWAN funciona, toca reemplaçar el típic “Hello, world!” per dades reals de sensors. Seguint amb l'exemple de la TTGO LoRa32 i un DS18B20, uses el bus OneWire i la llibreria DallasTemperature.

Al principi de l'esquetx incloses les capçaleres i defineixes el pin del bus: #include , #include i #define ONE_WIRE_BUS X, on X és el GPIO al qual heu connectat el sensor. Creeu l'objecte OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS) i DallasTemperature sensor(&oneWire). Si no teniu la llibreria del DS18B20 instal·lada, l'afegiu des del gestor de biblioteques.

A la funció setup() inicialitzes el sensor amb sensor.begin() i, si vols, fixes la resolució (per exemple sensor.setResolution(11)). A partir d'aquí, el sensor està llest per llegir temperatura quan ho necessitis.

La funció clau a LMIC per enviar dades és do_send(osjob_t* j). Dins veureu una comprovació de si hi ha una transmissió en curs (OP_TXRXPEND). Si no n'hi ha, crides a sensor.requestTemperatures(), obtens el valor amb sensor.getTempCByIndex(0) i el guardes a l'array mydata. Per exemple, podries utilitzar mydata[0] = (uint8_t)sensor.getTempCByIndex(0); per enviar només la part sencera.

Després crides a LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0), on el primer paràmetre és el port LoRaWAN (1 en aquest cas), el segon és el buffer, el tercer la mida i l'últim indica si el missatge és confirmat (1) o no confirmat (0). La llibreria s'encarrega de programar l'enviament al següent buit disponible.

Hi ha moltes millores possibles: ampliar el payload per incloure part decimal, afegir altres sensors, empaquetar dades amb un format binari eficient, etc. Però fins i tot en aquesta versió simple ja tens un node que periòdicament envia mesures reals a TTN, visibles a la consola i llestes per integrar amb altres sistemes.

Activació OTAA, seguretat i experiència pràctica

Fins ara hem parlat sobretot d'ABP per als exemples de codi, però en producció és molt recomanable fer servir OTAA (Over-The-Air Activation). OTAA és el mètode que usen, per exemple, els sensors Decentlab i molts SenseCAP, perquè reforça la seguretat.

Amb OTAA, la sessió LoRaWAN es negocia “a l'aire” cada vegada que el dispositiu s'uneix a la xarxa. Quan el node s'apaga, es reinicia o perd la connexió, la següent vegada que fa join es generen noves claus de sessió, cosa que complica que algú pugui clonar el dispositiu simplement copiant claus estàtiques.

A la consola de TTN, en escollir OTAA per a un dispositiu, en lloc de NWKSKEY i APPSKEY estàtiques tindràs DevEUI, JoinEUI/AppEUI i AppKey. Les claus de sessió es construeixen cada cop a partir d'aquests valors i de l'intercanvi amb el servidor, i només veuràs les claus derivades mentre duri la sessió.

A la pràctica, usuaris que partien de zero a LoRaWAN han comprovat que amb un gateway registrat a TTN i un sensor OTAA correctament configurat, el procés d'alta pot ser molt senzill: crear compte a TTN, activar el gateway, registrar el sensor amb les claus facilitades pel fabricant, i en pocs minuts visualitzar dades en una plataforma web (ja sigui la pròpia de Decentlab, SenseCAP, o dashboards de tercers).

Factors com la ubicació de la caixa LoRa del sensor (millor en posició vertical, que afavoreix el patró de radiació de l‟antena interna), l'entorn radioelèctric i l'alçada del gateway influeixen molt en la cobertura real, però el flux de configuració és força mecànic una vegada entès.

De TTN a les teves aplicacions: integracions i visualització

Amb els nodes ja pujant dades a TTN, el següent pas és portar aquesta informació a les vostres pròpies aplicacions, dashboards o fluxos d'automatització. TTN proporciona integracions i una API molt potent per això.

Un enfocament molt estès és fer servir Node-RED per rebre dades des de TTN i processar-les al teu gust. Configures una connexió MQTT o HTTP amb les credencials de la teva aplicació TTN, descodifiques el payload (segons el format dels teus sensors) ia partir d'aquí pots fer pràcticament de tot: desar en bases de dades, mostrar gràfics, disparar alertes, etc.

Una altra opció és recórrer a plataformes de tercers que ja integren amb TTN, com Datacake, MyDevices, ResIoT, WMW i altres. En moltes ja existeixen plantilles específiques per a dispositius com els sensors de Decentlab o alguns models de Dragino, de manera que només has de seleccionar el tipus de dispositiu, vincular-lo a la teva aplicació TTN i començar a veure les dades en dashboards “per a humans”.

En projectes educatius, per exemple, s'ha utilitzat TTN juntament amb gateways RAK7289 i trackers Dragino TrackerD per a localització de persones o vehicles. El flux és: gateway registrat, trackers donats d'alta a TTN, dades vistes a la consola i, a continuació, representades en temps real en un panell públic de Datacake amb mapes i gràfics de posició, nivell de bateria, etc.

L'important és entendre que TTN actua com a capa de xarxa LoRaWAN i encaminador de dades; la capa d'aplicació i visualització la decideixes tu: des d'un script a Python que consumeixi l'API fins a una plataforma industrial de dades IoT.

En definitiva, connectar un node LoRaWAN a TTN implica filar molts passos (freqüència correcta, gateway ben configurat, alta a TTN, claus del node, activació OTAA o ABP, programari del dispositiu i, si vols, integracions posteriors), però cada part és abordable fins i tot sense experiència prèvia si se segueixen les pautes adequades. Un cop superada la primera configuració, desplegar més nodes o gateways es torna un procés molt repetible i escalable, perfecte per a projectes de sensorització massiva, Smart City o simplement per aprendre i trastejar amb IoT de llarg abast.