[LoRa] สร้าง single channel gateway [TTN] ด้วย Raspberry Pi + RFM95w
What is LoRa ?
LoRa ย่อมาจาก Long Range เป็นรูปแบบการสื่อสารไร้สายโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Spread spectum modulation ที่ถูกพัฒนาโดย Semtech Corporation ซึ่งข้อดีก็คือ สามารถส่งได้ในระยะไกล(หน่วยกิโลเมตร)และใช้พลังงานต่ำ แต่ก็ตามมาด้วยการส่งที่มี bitrate น้อยเหมือนกันครับ
What is LoRaWAN ?
ความหมายของ LoRaWAN เป็นรูปแบบการสื่อสารโดยใช้พื้นฐานจาก LoRa นั้นเอง หรือที่เรียกว่า LoRaWAN Protocol ครับ
เมื่อพูดถึง LoRaWAN นั้น ก็จะมีข้อเกี่ยวเนื่องกับการออกแบบระบบสำหรับ IoT ซึ่งจะมีทั้งหมด 4 ส่วนด้วยกัน
1.End-Device หรือ Node เป็นอุปกรณ์ Embedded Device ที่เชื่อมต่อกับ LoRa Module อย่างพวก Arduino เชื่อมต่อกับ RFM95w
2.Gateway เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่รับ package ข้อมูลที่ส่งมาจาก End-Device แล้วทำการ forward ต่อไปยังส่วนของ Network Server ซึ่งจะเป็นในรูปแบบ network protocol
3.Network Server ในส่วนนี้เมื่อได้รับข้อมูลจาก Gateway แล้ว server จะมีหน้าที่จัดการ Package ที่มาจาก End-Device ซึ่งอาจจะเป็นการคัดกรอง package, Authentication และการจัดการข้อมูลต่างๆ
4.Application server จะเป็นที่ส่วนที่นำข้อมูลไปประยุกต์เข้ากับโปรเจคต่างๆ เช่นอาจจะเป็น Machine Learning หรือใช้ข้อมูลสำหรับการตัดสินใจในการรดน้ำต้นไม้เมื่อข้อมูลที่ได้รับเป็นอุณหภูมิในสวน
Install [TTN] Single Channel Gateway on Raspberry Pi3 + RFM95w
Overview
Raspberry Pi จะรับข้อมูลจาก End-Device แล้วทำการส่งข้อมูลต่อไปยัง The Things Network ซึ่งเป็นเครือข่ายที่ให้บริการเกี่ยวกับ IoT ซึ่งเราสามารถ integrate เข้ากับ application อื่นๆได้ด้วยไม่ว่าจะเป็น myDevices Cayenne หรือ AWS IoT
https://www.thethingsnetwork.org/
Hardware Component
- Raspberry Pi 3 model B + Raspbian OS
- HopeRF RFM95W (ซึ่งในโปรเจคนี้ผมขออนุญาตใช้ Raspberry PI iC880A and LinkLab Lora Gateway Shield นะครับ)
Wiring
จากตารางข้างต้นนี้ผมเป็นการต่อสายระหว่าง RFM95w Shield และ RPi 3 นะครับ
Software Installation
- ตั้งค่าให้ RPi ให้สามารถใช้งาน Hardware SPI
sudo raspi-config > Interfacing Options > SPI
- ดาวน์โหลด Single Channel Gateway จาก repository
git clone http://github.com/hallard/single_chan_pkt_fwd
- หลังจากนั้นทำการ Reboot Raspberry Pi
sudo reboot
- เมื่อเริ่มต้นระบบใหม่แล้วให้ทำการติดตั้ง Wiring Pi เพื่อใช้ในการ compile code ที่ดาวน์โหลดมาจาก Git
sudo install wiringpi -y
- เข้าไปยังโฟลเดอร์ single_chan_pkt_fwd เพื่อแก้ไขไฟล์ global_conf.json
cd single_chan_pkt_fwd nano global_conf.json
{
"SX127x_conf":
{
"freq": 923200000,
"spread_factor": 7,
"pin_nss": 10,
"pin_dio0": 24,
"pin_rst": 0,
"pin_led1":5
},
"gateway_conf":
{
"ref_latitude": 0.0,
"ref_longitude": 0.0,
"ref_altitude": 10,
"name": "SC Gateway",
"email": "[email protected]",
"desc": "Single Channel Gateway on RPI",
"servers":
[
{
"address": "router.eu.staging.thethings.network",
"port": 1700,
"enabled": false
},
{
"address": "router.eu.thethings.network",
"port": 1700,
"enabled": true
}
]
}
}
- หลังจากนั้นทำการ compile code
make
- เมื่อ compile เสร็จแล้วเราจะได้ไฟล์ที่ใช้ในการรัน single_chan_pkt_fwd
sudo ./single_chan_pkt_fwd
- ถ้าได้ Output ตามรูปนี้ก็ถือว่าติดตั้งเสร็จเรียบร้อยแล้วครับ
Caution!! การต่อสายระหว่าง RFM95w กับ Raspberry Pi3 สำคัญมากครับเพราะเราจะต้อง Map ขาของ Raspberry Pi 3 ให้อยู่ในรูปแบบของ wPi ซึ่ง GPIO pin ที่เราใช้ปกตินั้นจะเป็นในรูปแบบของ BCM
Configure a gateway on The Things Network
- ล็อกอินเข้าไปยัง https://console.thethingsnetwork.org/ [จำเป็นต้อง register นะครับ]
- หลังจากนั้นเลือก Gateway ซึ่งเราจะต้องทำการ register gateway นะครับ
- กำหนด parameter สำหรับ Gateway ของเรา
Gateway EUI คือ Gateway ID ที่เราได้จากการรันไฟล์ single_chan_pkt_fwd
Frequency Plan คือคลื่นความถี่ที่สามารถใช้ได้ในแต่ละประเทศ ในที่นี้ให้กำหนดเป็น Asia 920–923MHz
- หลังจากนั้นก็กด Register Gateway เราก็จะได้ข้อมูล overview ของ gateway เราครับ
Add Application and Register Device
- เริ่มต้นทำการสร้าง application ในหน้า console ของ The Things Network
- หลังจากนั้นกำหนดค่า parameter ที่ต้องการซึ่งจะได้แบบนี้ครับแล้วก็กด Add application
- เมื่อสร้างเสร็จแล้วเราจะได้หน้าต่าง overview ของ application ประมาณนี้
- จากนั้นทำการเพิ่ม End-Device โดยกดที่ register device
- แล้วก็เพิ่ม parameter ตามที่เราต้องการครับ เสร็จแล้วก็กด Register
- เมื่อ register device เสร็จเราจะได้ overview ของ device ซึ่งหากสังเกต Activation Method จะเป็นแบบ OTAA เราจำเป็นต้องเปลี่ยนให้เป็นแบบ ABP โดยเลือก setting แล้วเลือก ABP ได้เลยครับ
ถึงขั้นตอนนี้แล้วฝั่งของ The Things Network ถือว่าเสร็จสิ้นแล้ว ต่อไปเราต้องไปทำฝั่งของ End-Device ซึ่งผมใช้ Arduino Promini 8MHz + RFM95w
Test Single Channel Gateway with Arduino&RFM95w
- ดาวน์โหลด Library[LMIC-AS923] แล้วทำการเพิ่ม Library เข้าไปใน ArduinoIDE (ผมใช้ ArduinoIDE 1.8.9)
- กำหนดค่า Network Session Key, App Session Key และ Device Address ซึ่ง parameter พวกนี้จะได้จาก The Things Network เมื่อเรากำหนดค่าการ Activation เป็น ABP ครับ
#include <lmic.h>
#include <hal/hal.h>
#include <SPI.h>
// LoRaWAN NwkSKey, network session key
// This is the default Semtech key, which is used by the early prototype TTN
// network.
static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = {}; // Insert Network Session Key of The Device
//Example static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { 0x00, 0xD0, 0x90, 0xEF, 0x7F, 0x1A, 0x50, 0xF3, 0xA8, 0xFA, 0xED, 0x34, 0xD3, 0x46, 0xDC, 0xDF };
// LoRaWAN AppSKey, application session key
// This is the default Semtech key, which is used by the early prototype TTN
// network.
static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = {}; // Insert App Session Key of The Device
//Example static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { 0x07, 0x32, 0x00, 0xCE, 0xEF, 0x0F, 0x9A, 0x3B, 0x5F, 0xED, 0x3B, 0x1F, 0xEB, 0x88, 0x64, 0x24 };
// LoRaWAN end-device address (DevAddr)
static const u4_t DEVADDR = 0x26011900 ; // <-- Change this address for every node!
// These callbacks are only used in over-the-air activation, so they are
// left empty here (we cannot leave them out completely unless
// DISABLE_JOIN is set in config.h, otherwise the linker will complain).
void os_getArtEui (u1_t* buf) { }
void os_getDevEui (u1_t* buf) { }
void os_getDevKey (u1_t* buf) { }
static uint8_t mydata[] = "Hello, world!scsc";
static osjob_t sendjob;
// Schedule TX every this many seconds (might become longer due to duty
// cycle limitations).
const unsigned TX_INTERVAL = 60;
// Pin mapping
const lmic_pinmap lmic_pins = {
.nss = 10,
.rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
.rst = 6,
.dio = {2, 4, 5},
};
void onEvent (ev_t ev) {
Serial.print(os_getTime());
Serial.print(": ");
switch (ev) {
case EV_SCAN_TIMEOUT:
Serial.println(F("EV_SCAN_TIMEOUT"));
break;
case EV_BEACON_FOUND:
Serial.println(F("EV_BEACON_FOUND"));
break;
case EV_BEACON_MISSED:
Serial.println(F("EV_BEACON_MISSED"));
break;
case EV_BEACON_TRACKED:
Serial.println(F("EV_BEACON_TRACKED"));
break;
case EV_JOINING:
Serial.println(F("EV_JOINING"));
break;
case EV_JOINED:
Serial.println(F("EV_JOINED"));
break;
case EV_RFU1:
Serial.println(F("EV_RFU1"));
break;
case EV_JOIN_FAILED:
Serial.println(F("EV_JOIN_FAILED"));
break;
case EV_REJOIN_FAILED:
Serial.println(F("EV_REJOIN_FAILED"));
break;
case EV_TXCOMPLETE:
Serial.println(F("EV_TXCOMPLETE (includes waiting for RX windows)"));
if (LMIC.txrxFlags & TXRX_ACK)
Serial.println(F("Received ack"));
if (LMIC.dataLen) {
Serial.println(F("Received "));
Serial.println(LMIC.dataLen);
Serial.println(F(" bytes of payload"));
}
// Schedule next transmission
os_setTimedCallback(&sendjob, os_getTime() + sec2osticks(TX_INTERVAL), do_send);
break;
case EV_LOST_TSYNC:
Serial.println(F("EV_LOST_TSYNC"));
break;
case EV_RESET:
Serial.println(F("EV_RESET"));
break;
case EV_RXCOMPLETE:
// data received in ping slot
Serial.println(F("EV_RXCOMPLETE"));
break;
case EV_LINK_DEAD:
Serial.println(F("EV_LINK_DEAD"));
break;
case EV_LINK_ALIVE:
Serial.println(F("EV_LINK_ALIVE"));
break;
default:
Serial.println(F("Unknown event"));
break;
}
}
void do_send(osjob_t* j) {
// Check if there is not a current TX/RX job running
if (LMIC.opmode & OP_TXRXPEND) {
Serial.println(F("OP_TXRXPEND, not sending"));
} else {
// Prepare upstream data transmission at the next possible time.
LMIC_setTxData2(1, mydata, sizeof(mydata) - 1, 0);
Serial.println(F("Packet queued"));
}
// Next TX is scheduled after TX_COMPLETE event.
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
Serial.println(F("Starting"));
#ifdef VCC_ENABLE
// For Pinoccio Scout boards
pinMode(VCC_ENABLE, OUTPUT);
digitalWrite(VCC_ENABLE, HIGH);
delay(1000);
#endif
// LMIC init
os_init();
// Reset the MAC state. Session and pending data transfers will be discarded.
LMIC_reset();
// Set static session parameters. Instead of dynamically establishing a session
// by joining the network, precomputed session parameters are be provided.
#ifdef PROGMEM
// On AVR, these values are stored in flash and only copied to RAM
// once. Copy them to a temporary buffer here, LMIC_setSession will
// copy them into a buffer of its own again.
uint8_t appskey[sizeof(APPSKEY)];
uint8_t nwkskey[sizeof(NWKSKEY)];
memcpy_P(appskey, APPSKEY, sizeof(APPSKEY));
memcpy_P(nwkskey, NWKSKEY, sizeof(NWKSKEY));
LMIC_setSession (0x1, DEVADDR, nwkskey, appskey);
#else
// If not running an AVR with PROGMEM, just use the arrays directly
LMIC_setSession (0x1, DEVADDR, NWKSKEY, APPSKEY);
#endif
LMIC_setupChannel(0, 923200000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(1, 923400000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7B), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(2, 923600000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(3, 923800000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(4, 924000000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(5, 924200000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(6, 924400000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(7, 924600000, DR_RANGE_MAP(DR_SF12, DR_SF7), BAND_CENTI); // g-band
// LMIC_setupChannel(8, 924800000, DR_RANGE_MAP(DR_FSK, DR_FSK), BAND_MILLI); // g2-band
// Disable link check validation
LMIC_setLinkCheckMode(0);
// TTN uses SF9 for its RX2 window.
LMIC.dn2Dr = DR_SF9;
// Set data rate and transmit power for uplink (note: txpow seems to be ignored by the library)
LMIC_setDrTxpow(DR_SF7, 14);
// Start job
do_send(&sendjob);
}
void loop() {
os_runloop_once();
}
- หลังจากนั้นให้ map ขาของ Arduino Board กับ RFM95w
(โปรเจคนี้ผมได้ใช้ Arduino Board ที่สร้างขึ้นมาเองสามารถดาวน์โหลดไฟล์ schematic หรือ gerber ได้ตามนี้เลยครับ iotmodules/Piglet)
- เมื่อเรากำหนดค่าต่างๆเสร็จแล้วก็ทำการทดสอบ Program ไปยัง Arduino Board ได้เลยครับ
ข้อมูลที่เราส่งไปจะอยู่ในส่วนของ Payload ซึ่งมันจะอยู่ในรูปของ Hex ถ้าเราอยากทราบว่าถูกต้องไหมก็ให้แปลงจาก Hex to String ซึ่งก็คือคำว่า Hello, world! ที่เราส่งไปนั้นเองครับ
Activation Method (Ref: LoRA, LoRaWAN คืออะไร มารู้จักกันดีกว่า)
- Over-the-Air Activation ( OTAA ) เป็นกระบวนการที่ใช้ Globally Unique Identifier และมีการแชร์ key ผ่านกระบวนการ Hand shaking ในระหว่างการเชื่อมต่อ กระบวนการในขั้นตอนแรกจึงยุ่งยากกว่าแบบ ABP โดยมีขั้นตอนในการเชื่อมต่อดังต่อไปนี้
- End-device จะส่ง Join Request ไปที่ Server โดยในข้อมูลประกอบไปด้วย Globally Unique End-Device Identifier ( DevEUI ), Application Identifier ( AppEUI ) และ Application key ( AppKey ) เพื่อขอ Session Key จาก Server
- Server จะคำนวณ session keys เช่น NetworkSKey, AppSKey และส่ง Join Accept กลับไป
- End-device จะได้รับ Join Accept
- End-device ถอดข้อมูล Join Accept
- End-device นำข้อมูล DevAddr ที่ได้รับมาเก็บไว้ในหน่วยความจำ
- End-device ได้รับ Network Session Key และ Application Session Key
2. Activation By Rationalization ( ABP ) กระบวนการนี้จำเป็นจะต้อง share key ลง ไปที่อุปกรณ์ ในตอนผลิตหรือตอนดาวน์โหลดโปรแกรม วิธีการนี้เป็นวิธีที่สะดวกในการเชื่อมต่อเข้าระบบเน็ตเวิค เพราะ End-Device สามารถเชื่อมต่อเข้าระบบได้เลยโดยไม่ต้อง hand shaking เพื่อเชื่อมต่อ แต่ข้อเสียจะเป็นการ Locked ระบบ Network ให้ใช้ได้เฉพาะ Key นี้เท่านั้น
เท่านี้ก็เป็นอันว่าจบการทำ Single Channel Gateway บน The Things Network ครับ
Download Library: LMIC Library