Како корак по корак повезати LoRaWAN чвор са TTN-ом

Информатек Дигитал » Средства » Како корак по корак повезати LoRaWAN чвор са TTN-ом

Ако сте стигли довде, то је зато што желите да знате како да повежете LoRaWAN чвор са TTN-ом од почетка до краја , не изостављајући ништа: гејтвеје, чворове, сензоре, библиотеке, кључеве и конфигурацију мреже. Добра вест је да не морате бити стручњак за телекомуникације; уз добро структуриран водич и мало стрпљења, можете подесити сопствену функционалну LoRaWAN мрежу за кратко време.

У наредним редовима, видећете, корак по корак, како да подесите гејтвеј, региструјете га на The Things Network, додате апликације и крајње уређаје и програмирате LoRaWAN чворове засноване на ESP32 или Arduino плочама, као и примере са комерцијалним сензорима (SenseCAP, Decentlab, Dragino, Tabs Browan). Такође ћемо обрадити практичне детаље који се не налазе увек у приручницима: уобичајени проблеми са тастерима, избор фреквенције, физичке везе пинова и трикове за проверу да ли све заиста комуницира са TTN-ом.

Шта су LoRa и LoRaWAN и зашто користити TTN?

LoRa и LoRaWAN су два повезана концепта, али нису иста . LoRa је радиофреквентна модулација великог домета и мале снаге, власништво компаније Semtech. LoRaWAN је мрежни протокол који се ослања на LoRa како би управљао начином на који крајњи уређаји (чворови) комуницирају са гејтвејима и мрежним сервером.

У типичној LoRaWAN мрежи постоје две главне компоненте: капије (gateway) и чворови . Капије (gateway) делују као „мостови“ између LoRa света (радио) и IP света (интернет), прослеђујући пакете LoRaWAN серверу. Чворови су сензори или актуатори који шаљу и примају информације користећи LoRa до и од ових капија.

Да бисте све ово повезали, потребан вам је LoRaWAN сервер. Можете платити за приватну услугу (оператери попут Movistar-а, Vodafone-а или платформе попут Loriot-а, Actility-ја, Kerlink-а) или ићи путем заједнице користећи The Things Network (TTN), што је јавна, отворена мрежа коју одржава заједница.

ТТН има предност поштовања управљања подацима, неутралности и омогућавања да допринесете мрежи постављањем мрежних капија . У многим градовима људи инсталирају мрежне капије на сопствену иницијативу и свако може имати користи од ове покривености без икаквих трошкова осим хардвера чворова.

LoRaWAN фреквенције, канали и ограничења

Пре куповине било ког уређаја, кључно је да се уверите да је LoRa фреквенција компатибилна са вашим регионом . Рад у Европи није исти као рад у Сједињеним Државама или Азији; ако изаберете погрешан опсег, уређај може бити бескористан или чак и илегалан.

У Европи се првенствено користи опсег од 868 MHz (EU868) . У Сједињеним Државама, типичан опсег је 915 MHz (US915). Кинески продавци нуде широк избор модула од 433 MHz, што може бити примамљиво због њихове цене, али нису увек компатибилни са LoRaWAN-ом или оперативним системом ваше земље.

Поред фреквенције, LoRaWAN је организован у канале, фактор ширења (SF) и фреквентне планове . SF дефинише брзину и домет: већи SF значи већи домет, али и више времена у етеру, што троши више енергије и заузима више простора на каналу.

У Европи важи добро познато „правило од 1%“ : сваки уређај може да заузме радио канал само мали проценат времена, обично око 1%. Ово ограничава колико често можете да шаљете податке и један је од разлога зашто LoRaWAN сензори обично емитују сваких неколико минута, а не сваких неколико секунди.

Припреме и избор хардвера за гејтвеј и чворове

Да бисте подесили практичну мрежу, биће вам потребан најмање један LoRaWAN гејтвеј и један или више чворова (сензора) . Можете комбиновати хардвер различитих произвођача, све док су у складу са LoRaWAN стандардом и раде на истом фреквентном опсегу.

Један популаран модел унутрашњег гејтвеја је Dragino LPS8 , који интегрише SX1308 концентратор и подржава до 10 паралелних канала. Долази унапред конфигурисан са различитим фреквентним плановима у зависности од земље, а у Европи ради на 868 MHz. Напаја се напоном од 5V преко USB-C порта и повезује се на IP мрежу путем RJ-45 или Wi-Fi кабла.

Други примери гејтвеја који добро раде са TTN-ом укључују RAK7289 (за спољашњу употребу, робустан и са LTE/4G опцијом) или званичне TTN-GW-868 MHz гејтвеје, дизајниране за пружање покривености у градовима или пројектима паметних градова. Такође је могуће направити гејтвеј са једном ћелијом са ESP32 плочом и SX1262 LoRa модулом , као што је урађено са Wio-SX1262 комплетом и Xiaomi ESP32S3.

Као чворови имате две опције: користити комерцијалне сензоре који су већ спремни за LoRaWAN (SenseCAP S210x, Tabs Browan TBHH100, Dragino TrackerD, Decentlab, итд.) или изградити сопствене чворове помоћу развојних плоча као што су TTGO LoRa32 V2.0, ESP32 + RMF95, Arduino + LoRa модул, итд.

Конфигуришите LoRaWAN гејтвеј и повежите га са TTN-ом

Први велики корак у пројекту је покретање и рад мрежног пролаза и појављивање натписа „Повезано“ на TTN-у . Иако сваки произвођач има своју контролну таблу, концептуални кораци су веома слични.

На пример, са Dragino LPS8 можете управљати путем SSH или HTTP . Ако га повежете преко RJ-45 кабла, мораћете да сазнате IP адресу коју је доделио DHCP сервер (користећи IP скенер или преко рутера). Ако више волите почетно подешавање путем Wi-Fi мреже, LPS8 креира сопствену мрежу са SSID-ом као што је „dragino-xxxxx“ и подразумеваном лозинком као што је „dragino+dragino“. Приступ IP адреси 10.130.1.1 ће вас одвести до веб панела, где су почетно корисничко име и лозинка обично „admin/dragino“.

Након уласка, видећете мени са неколико одељака, а неке опције могу имати црвени крст који указује да недостаје конфигурација . Први корак је да изаберете исправан фреквентни план за ваше подручје на картици LoRa; у Европи је то EU868 (приближно 868 MHz).

Затим, додирните картицу LoRaWAN или Мрежни сервер . Тамо дефинишете са којим LoRaWAN сервером ће се gateway повезати. За TTN, изаберите „TTN“ као провајдера и унесите адресу европског сервера (на пример, eu1.cloud.thethings.network), задржавајући UDP портове (обично 1700 за отпремање и преузимање). У истом одељку видећете Gateway ID или EUI, који ће нам касније бити потребан у TTN-у.

У одељку Мрежа, конфигуришете како се гејтвеј повезује на интернет : LAN, WAN или Wi-Fi WAN. За WAN интерфејс можете изабрати статичку IP адресу или DHCP; кад год је то могуће, препоручује се статичка IP адреса преко жичане везе за стабилнију везу и лакши приступ управљању. Одељак LAN се обично користи за интерну мрежу приступних тачака гејтвеја; најбоље је да не мењате ово подешавање без потпуног разумевања шта радите, јер би могло да вам спасе живот ако нешто крене наопако.

У одељку WiFi можете подесити и приступну тачку коју генерише сам гејтвеј и њену везу са спољном WiFi мрежом . Ради безбедности, препоручује се да промените подразумевани SSID и лозинку приступне тачке која је стигла из фабрике.

На RAK7289 гејтвејима, поступак је сличан: приступите веб панелу, конфигуришите IP адресу (статичку или DHCP) преко Мрежа → WAN интерфејс , а затим, у LoRa мрежа → Подешавања мреже → Преусмеравање пакета, унесите детаље TTN сервера и забележите Gateway EUI да бисте га касније регистровали код TTN-а. Ако се налазите иза рутера који пружа DHCP, можете пронаћи IP адресу гејтвеја тако што ћете погледати табелу закупа (по имену хоста, на пример, „RAK7289“) или користити алате као што је nmap.

Регистрација на Гејтвеју на The Things Network

Када гејтвеј добије приступ интернету, потребно је да га региструјете код TTN-а . Ако немате налог, прво се региструјте на веб-сајту The Things Network, а затим приступите конзоли у одговарајућем региону (на пример, https://eu1.cloud.thethings.network/).

У конзоли изаберите одељак Gateways и кликните на „Register gateway“ (Региструј gateway) . TTN ће тражити Gateway ID (јединствено име у оквиру вашег налога) и, у зависности од типа gateway-а, Gateway EUI. За Dragino LPS8 gateway-е који користе класични пакетни прослеђивач, морате изабрати опцију „Користим старији пакетни прослеђивач“.

Поред тога, навешћете фреквентни план (EU868 за Европу) , одговарајући регион или рутер и опционо локацију (координате, унутрашња/спољашња, итд.). На гејтвејима као што је једноћелијски са XIAO ESP32S3 и Wio-SX1262, сам фирмвер може приказати Гејтвеј ИД преко серијског порта приликом покретања; једноставно га копирајте и користите у обрасцу за регистрацију.

Након што попуните ове информације и региструјете гејтвеј, TTN ће приказати проверу статуса („Повезано“ или „Одспојено“) и одељак „Саобраћај“ где можете да видите проток пакета у реалном времену. Ако је све исправно конфигурисано и на гејтвеју и на TTN-у, требало би да видите да се промени у „Повезано“ у року од једног или два минута и да почнете да видите саобраћај када чворови емитују.

То значи да је инфраструктура (гејтвеј + сервер) сада оперативна . Одатле долази до изражаја конфигурација апликација и крајњих уређаја.

Креирање апликације и регистрација чворова у TTN-у

У TTN-у, уређаји се не региструју директно у корену налога, већ унутар апликација . Апликација групише један или више чворова који шаљу повезане податке, на пример, све сензоре заштите животне средине у згради или неколико GPS трагача у образовном пројекту.

У TTN конзоли, идите на одељак Апликације и креирајте нову апликацију . Доделите јој јединствени ИД, опционо опис и изаберите одговарајући регион. Унутар те апликације, регистроваћете сваки LoRaWAN чвор са његовим акредитивима (DevEUI, JoinEUI/AppEUI и AppKey или другим кључевима у зависности од методе активације).

За комерцијалне сензоре попут сензора за температуру и влажност Browan TBHH100-868 , обично је приложена етикета са DevEUI, AppEUI и AppKey. Они обично користе OTAA (Over-The-Air Activation) метод, који генерише кључне сесије са сваким мрежним придруживањем, што га чини безбеднијим од ABP-а.

Са OTAA, у TTN-у бирате да региструјете нови крајњи уређај, уносите JoinEUI (AppEUI), DevEUI и AppKey , проверавате податке и потврђујете. Након чувања, ако је чвор правилно конфигурисан и налази се у домету гејтвеја, видеће мрежне сигнале, извршиће процедуру придруживања и почећете да видите узлазне поруке са њиховим мерењима у конзоли.

Исто важи и за сензоре попут Decentlab сензора нивоа и температуре : произвођач пружа ID, DevEUI, AppEUI и AppKey, али не зна унапред који сервер ћете користити. Ви сте одговорни за регистрацију ових информација код TTN-а (или другог сервера) како би сензор могао бити регистрован. Многи Decentlab уређаји долазе унапред регистровани код TTN-а ако то захтевате, што додатно поједностављује процес.

Конфигурисање комерцијалних LoRaWAN сензора

Погледајмо неке конкретне примере како припремити и регистровати комерцијалне LoRaWAN сензоре који ће затим комуницирати са TTN-ом преко вашег gateway-а.

У SenseCAP S210x асортиману (на пример, сензори заштите животне средине), типичан ток рада је коришћење произвођачеве апликације SenseCraft . Прво преузмете апликацију, укључите сензор помоћу дугмета (држећи га притиснутим неколико секунди док ЛЕД диода не трепери сваке секунде), а затим у апликацији изаберете „Скенирај“ да бисте прочитали QR код уређаја.

Унутар апликације постоји режим „Напредна конфигурација“ где бирате „The Things Network“ као платформу . Морате изабрати исти фреквентни план као и ваш гејтвеј (на пример, EU868) и проверити да ли је режим придруживања OTAA. Апликација ће приказати EUI уређаја, AppEUI (JoinEUI) и AppKey; добра је идеја да их забележите јер ћете морати да их унесете у TTN приликом регистрације уређаја.

У случају сензора Tabs Browan TBHH100-868 , тастери долазе фабрички подешени. Сензор мери температуру и влажност, напаја се батеријом од 3,6 V и преноси податке према овим правилима: сваких 60 минута ако нема промене или раније ако се температура промени за ±2°C или влажност за ±5%. Да бисте га регистровали, једноставно унесите APPKey, APPEUI и DevEUI које је произвођач обезбедио у ваш LoRaWAN сервер (на пример, TTN). Понекад може доћи до проблема са форматом или редоследом бајтова (msb/lsb), па је важно проверити ово ако се не повеже први пут.

Драгино ТракерД уређаји се користе као ГПС трагачи са дугметом за панику. Свака јединица има свој сет LoRaWAN кључева. У ТТН-у, они су обично регистровани у истој апликацији (нпр. „праћење курса“), а уређај се конфигурише, ако је потребно, преко серијског порта (УСБ) помоћу АТ команди. Документација детаљно описује команде за подешавање брзине преноса, понашања аларма итд. Важно: Многи Драгино фирмвери захтевају да се АТ команде у целости налепе у терминал, а не да се куцају знак по знак.

Код сензора попут Decentlab-ових сензора нивоа, притиска или сензора за животну средину , филозофија је слична: DevEUI, AppEUI и AppKey се користе за њихово повезивање са TTN-ом (или другом мрежом). Decentlab обично поставља интервал преноса од 10 минута јер је то доказани компромис између потрошње података и резолуције, иако се ово може изменити на захтев или путем конфигурације. Корисници могу да виде податке на произвођачевој сопственој cloud платформи или да интегришу уређај у платформе трећих страна (MyDevices, ResIoT, WMW, итд.) додавањем одговарајућег декодера корисног терета.

Направите сопствени LoRaWAN чвор са хардвером отвореног кода

Ако уживате у експериментисању, најзабавније је често прављење и програмирање сопственог LoRaWAN чвора . Веома популарна комбинација је коришћење плоче засноване на ESP32 са интегрисаним LoRa, као што је TTGO LoRa32 V2.0 868 MHz, и додавање једноставног сензора, на пример, температурног сензора DS18B20.

Овај приступ захтева четири дела: контролну плочу (ESP32, Arduino, итд.), LoRa радио модул (на пример RFM95 тип SX1276/78), сензор који желите да мерите и опционо, периферне уређаје као што је OLED дисплеј за локално приказивање података.

TTGO LoRa32 V2.0 долази са интегрисаним LoRa примопредајником и, у зависности од верзије, малим OLED дисплејем. Базиран на ESP32, пружа WiFi и Bluetooth, а у многим случајевима је такође савршен за изградњу једноканалног мини гејтвеја када је повезан на интернет. Међутим, на овој и сличним плочама, неки сигнали из LoRa модула (DIO1, DIO2) нису претходно повезани са микроконтролером и мораћете сами да их повежете.

На пример, TTGO LoRa32 V2.0 обично користи следећи распоред пинова за LoRa: SCK на GPIO5, MISO на GPIO19, MOSI на GPIO27, CS на GPIO18, RESET на GPIO14 и DIO0 на GPIO26 . DIO1 и DIO2 су обично физички повезани са GPIO33 и GPIO32, респективно, који се налазе директно један насупрот другог у супротном реду, што олакшава коришћење директног џампера.

Постоје три типична начина за прављење ових веза: лемљење жица директно на пинове (за коначну монтажу), коришћење краткоспојних жица ако је плоча на матичној плочи или усмеравање веза на посебну штампану плочу на коју је прикључен TTGO. Опција краткоспојника је обично најпогоднија за тестирање.

Софтвер чворова: LMIC библиотека, фреквенција и TTN кључеви

За програмирање LoRaWAN чвора на Arduino/ESP32, широко се користи MCCI LoRaWAN LMIC библиотека , која имплементира LoRaWAN стек и управља свим што је везано за канале, спајања, поновне покушаје, прозоре за пријем итд.

Прво, инсталирајте библиотеку из Менаџера библиотека Arduino IDE-а тако што ћете потражити „LMIC“ и изабрати „MCCI LoRaWAN LMIC библиотека“. Након инсталације, постоји један важан детаљ: подразумевано је конфигурисана за US915 (Сједињене Америчке Државе), тако да ако сте у Европи, морате је променити на EU868.

Да бисте то урадили, пронађите датотеку lmic_project_config.h унутар фасцикле библиотеке (нешто попут /Arduino/libraries/MCCI_LoRaWAN_LMIC_library/project_config/) и уредите дефиниције. Коментаришите CFG_us915 ​​​​и омогућите CFG_eu868, такође осигуравајући да је омогућен исправан тип радија (на пример, CFG_sx1276_radio за SX1276/78 модуле). Ово је једнократна промена која се примењује на све ваше LMIC пројекте.

Затим отварате један од укључених примера, на пример ttn-abp , који периодично шаље „Здраво, свете!“ као корисни терет. Овај пример служи као основа за његово прилагођавање вашој табли и вашим TTN акредитивима.

У коду ћете видети структуру lmic_pinmap која одређује NSS (CS), RST и DIO пинове . Подразумевано, обично је мапирана за Feather M0 LoRa, тако да ако користите TTGO LoRa32 V2.0, мораћете да промените ову структуру да бисте користили .nss = 18, .rst = 14 и .dio = {26, 33, 32} (под претпоставком да сте повезали DIO1 са GPIO33 и DIO2 са GPIO32). Ако је ваш хардвер другачији, мораћете да консултујете његову документацију или пронађете конкретан пример.

Када је распоред пинова исправан, време је да конфигуришете кључеве који идентификују ваш чвор у TTN-у . У примеру ttn-abp, променљиве NWKSKEY, APPSKEY и DEVADDR се појављују са речју FILLMEIN тако да их можете попунити својим вредностима.

Ове податке добијате из TTN конзоле приликом креирања уређаја са ABP активацијом. TTN вам пружа кључ мрежне сесије (NWKSKEY), кључ сесије апликације (APPSKEY) и адресу уређаја (DEVADDR) . У интерфејсу, кључеви су скривени из безбедносних разлога, али можете их учинити видљивим и, што је корисније, копирати вредност директно као C низ (користећи дугме „<>“) са исправним редоследом бајтова (msb). Кликом на икону за копирање, низ се копира у међуспремник и можете га једноставно налепити у свој код где се налази сваки FILLMEIN.

За NWKSKEY и APPSKEY, користићете формат низа бајтова који пружа TTN , док ћете за DEVADDR поставити хексадецималну вредност као један цео број типа u4_t, на пример, `static const u4_t DEVADDR = 0x26011111;`. На овај начин, ваш чвор ће моћи да аутентификује и усмери своје пакете ка вашој TTN апликацији.

Интегришите сензоре у код чвора

Када LoRaWAN скелет проради, време је да се типично „Здраво, свете!“ замени стварним подацима сензора . Настављајући са примером TTGO LoRa32 и DS18B20, користите OneWire магистралу и библиотеку DallasTemperature.

На почетку скице, укључите заглавља и дефинишите пин магистрале: `#include <OneWire.h>`, `#include <DallasTemperature.h>` и `#define ONE_WIRE_BUS X` , где је X GPIO пин на који сте повезали сензор. Направите објекат `OneWire` `oneWire(ONE_WIRE_BUS)` и објекат `DallasTemperature` `sensor(&oneWire). Ако немате инсталирану библиотеку DS18B20, додајте је из менаџера библиотека.

У функцији setup(), иницијализујете сензор помоћу sensor.begin() и, ако желите, подешавате резолуцију (на пример, sensor.setResolution(11)) . Од тада, сензор је спреман да очитава температуру када вам је потребна.

Кључна функција у LMIC-у за слање података је `do_send(osjob_t* j)`. Унутра ћете видети проверу за текући пренос (`OP_TXRXPEND`). Ако га нема, позивате `sensor.requestTemperatures()`, добијате вредност помоћу `sensor.getTempCByIndex(0)` и чувате је у низу `mydata`. На пример, можете користити `mydata[0] = (uint8_t)sensor.getTempCByIndex(0);` да бисте послали само цео број.

Затим позивате LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata), 0) , где је први параметар LoRaWAN порт (1 у овом случају), други је бафер, трећи је величина, а последњи означава да ли је порука потврђена (1) или непотврђена (0). Библиотека затим заказује пренос у следећем доступном слоту.

Постоји много могућих побољшања: проширење корисног терета како би се укључили децимални подаци, додавање других сензора, паковање података у ефикасан бинарни формат итд. Али чак и у овој једноставној верзији, већ имате чвор који периодично шаље мерења у реалном времену TTN-у, видљива на конзоли и спремна за интеграцију са другим системима.

Активација, безбедност и практично искуство OTAA

До сада смо углавном разматрали ABP за примере кода, али у продукцији се топло препоручује коришћење OTAA (Over-The-Air Activation - активација путем ваздуха) . OTAA је метод који користе, на пример, Decentlab сензори и многи SenseCAP сензори, јер побољшава безбедност.

Са OTAA, LoRaWAN сесија се преговара „у етру“ сваки пут када се уређај придружи мрежи . Када се чвор искључи, поново покрене или изгуби везу, нови кључеви сесије се генеришу следећи пут када се придружи, што отежава некоме клонирање уређаја једноставним копирањем статичких кључева.

У TTN конзоли, када изаберете OTAA за уређај, уместо статичких NWKSKEY и APPSKEY, имаћете DevEUI, JoinEUI/AppEUI и AppKey . Кључеви сесије се конструишу сваки пут из ових вредности и размене са сервером, а изведене кључеве ћете видети само током трајања сесије.

У пракси, корисници који почињу од нуле са LoRaWAN-ом су открили да са гејтвејем регистрованим на TTN-у и исправно конфигурисаним OTAA сензором, процес регистрације може бити веома једноставан : креирајте налог на TTN-у, активирајте гејтвеј, региструјте сензор помоћу кључева које је обезбедио произвођач и за неколико минута прегледајте податке на веб платформи (било да је у питању Decentlab-ова сопствена, SenseCAP или контролне табле треће стране).

Фактори као што су локација LoRa кутије сензора (најбоље у вертикалном положају, што погодује дијаграму зрачења унутрашње антене) , радио окружење и висина гејтвеја у великој мери утичу на стварну покривеност, али ток подешавања је прилично механички када се разуме.

Од TTN-а до ваших апликација: интеграције и визуелизација

Сада када чворови отпремају податке у TTN, следећи корак је да те информације унесете у своје апликације, контролне табле или аутоматизоване токове рада . TTN пружа моћне интеграције и API за ово.

Веома уобичајен приступ је коришћење Node-RED-а за пријем података од TTN-а и њихову обраду по потреби . Конфигуришете MQTT или HTTP везу са вашим TTN апликацијским подацима, декодирате корисни терет (према формату ваших сензора) и одатле можете да урадите практично све: да сачувате податке у базама података, прикажете графиконе, покренете упозорења итд.

Друга опција је коришћење платформи трећих страна које се већ интегришу са TTN-ом , као што су Datacake, MyDevices, ResIoT, WMW и друге. Многе од ових платформи већ имају посебне шаблоне за уређаје попут Decentlab сензора или неких Dragino модела, тако да само треба да изаберете тип уређаја, повежете га са својом TTN апликацијом и почнете да прегледате податке на кориснички прилагођеним контролним таблама.

На пример, у образовним пројектима, TTN је коришћен заједно са RAK7289 гејтвејима и Dragino TrackerD трагачима за лоцирање људи или возила. Ток посла је следећи: гејтвеј је регистрован, трагачи су регистровани у TTN-у, подаци се прегледају на конзоли, а затим се приказују у реалном времену на јавној Datacake контролној табли са мапама и графиконима који приказују положај, ниво батерије итд.

Важно је разумети да TTN делује као LoRaWAN мрежни слој и рутер података ; ви одлучујете о апликацији и слоју визуелизације: од Пајтон скрипте која користи API до индустријске IoT платформе података.

Укратко, повезивање LoRaWAN чвора са TTN-ом подразумева неколико корака (исправна фреквенција, правилно конфигурисан гејтвеј, регистрација TTN-а, кључеви чвора, активација OTAA или ABP-а, софтвер уређаја и, ако је потребно, накнадне интеграције), али сваки део је управљив чак и без претходног искуства ако се прате исправне смернице. Када се почетно подешавање заврши, распоређивање више чворова или гејтвеја постаје процес који се може поновити и скалабилан, савршен за велике сензорске пројекте, иницијативе паметних градова или једноставно за учење и експериментисање са IoT-ом дугог домета.