Тестирование радиомодемов LoRa/LoRaWAN RN2483. Часть 2, LoRaWAN

  • Tutorial
В предыдущей части рассказывалось, как подключить модемы RN2483 в режиме LoRa. Сейчас перейдем к следующей, более сложной части — подключению к сети LoRaWAN.

Что такое LoRaWAN?



LoRaWAN — это «условно глобальная» сеть, состоящая из конечных устройств (nodes), отправляющих данные на концентраторы (gateway). Каждый концентратор имеет доступ к сети Интернет, и отправляет принятые данные на сервер, который в свою очередь рассылает их подписанным клиентам. Сеть с одной стороны, «глобальная», т.к. данные может принять любой, находящийся поблизости gateway, с другой стороны, она «условно глобальная», т.к. без интернета/интранета оно все равно работать не будет (хотя никто не мешает иметь собственный gateway и сервер внутри организации).

В качестве «узла» будет использоваться модем RN2483, для подключения будет использоваться бесплатный сервис. Продолжение под катом.

Сеть The Things Network


Сервис www.thethingsnetwork.org — это открытое сообщество, пользователи которого могут создавать, регистрировать устройства и концентраторы, экспериментировать с тем как все это работает, и т.д. Как говорится, бесплатно и без SMS. Им мы для тестирования и воспользуемся.

Любой желающий может зарегистрировать в сети как node, так и gateway. Сеть The Things Network совершенно бесплатная, многие энтузиасты покупают оборудование за свой счет.
Карта покрытия на момент написания статьи выглядит следующим образом:



Как можно видеть, русскоязычный сегмент покрытия оставляет желать лучшего, но все же он есть. В этом есть и положительная сторона — в Лондоне или Амстердаме новым концентратором уже никого не удивишь, а в России — вполне есть шанс быть первым.

Подключение RN2483 к LoRaWAN


В отличие от простого p2p-соединения, в LoRaWAN все гораздо сложнее — устройства регистрируются в сети, траффик шифруется различными ключами, и так далее. Т.к. сеть является публичной и общедоступной, вопросы защиты данных здесь весьма актуальны.

В сети LoRaWAN существует 2 вида аутентификации:

— Аутентификация «по воздуху» (OTAA, Over-the-Air Activation). Устройства регистрируются в сети и получают ключ, необходимый для работы.
— Активация ABP (Activation by Personalization). Настройки заранее прописываются в устройстве, дополнительной аутентификации не требуется. Этот режим проще, однако есть и минус — данные просто отправляются в эфир, нет гарантии что они были получены концентратором.

Важно: многие дешевые одноканальные концентраторы поддерживают только режим ABP, так что первый способ может и не сработать.

1. Регистрация устройства — OTAA


Первым делом необходимо зайти на сайт staging.thethingsnetwork.org и зарегистрировать «приложение» (application). Я назвал его Raspberry Pi Home. При регистрации приложения юзер получает первый ключ, который пригодится в дальнейшем.



Далее мы видим вкладку Devices, куда можно внести наш модем (их может быть несколько). Нажимаем «register device» и выбираем режим OTAA. Появляется окно, в котором нужно ввести идентификатор девайса.


Этот идентификатор можно получить, послав модему команду «sys get hweui». На этом регистрация закончена, как и было обещано, бесплатно и без SMS.

Открыв параметры девайса, можно увидеть все ключи, их необходимо прописать в программе.



Для упрощения кода, я воспользовался библиотекой python-loranode, исходный код для отправки данных приведен ниже. Как можно видеть, в коде есть 3 строки appkey, appeui и deveui, которые используются для аутентификации.

Исходный код
from loranode import RN2483Controller
from commands import *
import time

# LoRaController OTAA based join and message test
if __name__ == "__main__":
    set_debug_level(Level.DEBUG)
    
    port = "COM3"
    appkey = "58FF3007CAED02xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    appeui = "70B3D57Exxxxxxxxxxxxxx"
    deveui = "0004A30xxxxxxxxxxx"

    # Test controller
    lc = RN2483Controller(port)
    if lc.test():
        printd("[+] Connected to LoRa RN2483 device", Level.INFO)
        lc.serial_sr(CMD_GET_VERSION)
        lc.serial_sr(CMD_GET_HWEUI)
        lc.get_freq()
    else:
        printd(clr(Color.YELLOW, "[-] Failed to get version from LoRa device"), Level.WARNING)

    lc.set_pwr(15)
    lc.set_adr(False)
    lc.serial_sr(CMD_SET_SF, "sf7") # sf12, sf7

    # Join and send a message
    if lc.join_otaa(appkey, appeui, deveui):
        printd("[+] Connected to gateway", Level.INFO)
        
        # Data-1
        printd("[+] Sending packet #1", Level.INFO)
        timeStr = time.strftime("%H%M", time.gmtime())
        if lc.send(timeStr, ack=False):
            printd(clr(Color.GREEN, "[+] Send-1 succeeded"), Level.CRITICAL)
        else:
            printd(clr(Color.RED, "[+] Send-1 failed"), Level.CRITICAL)
        time.sleep(15)

        # Data-2
        printd("[+] Sending packet #2", Level.INFO)
        timeStr = time.strftime("%H%M", time.gmtime())
        if lc.send(timeStr, ack=False):
          printd(clr(Color.GREEN, "[+] Send-2 succeeded"), Level.CRITICAL)
        else:
          printd(clr(Color.RED, "[+] Send-2 failed"), Level.CRITICAL)
        time.sleep(15)

        del lc
        exit()

    del lc
    printd(clr(Color.RED, "[-] Test failed"), Level.CRITICAL)


В этом примере на сервер отправляются пакеты, содержащие текущее время (ччмм). Это удобно для контроля того, какой пакет был принят.

2. Регистрация устройства — ABP


Здесь все проще — регистрируем устройство как ABP, и получаем несколько ключей, которые необходимо прописать в программе.



Модем отправляет данные «как есть», никакой гарантии что аутентификация была успешной, нет.

Для отправки данных, необходимо вставить в код ключи nwkskey, appskey, devaddr. Исходный код приведен ниже.

Исходный код
from loranode import RN2483Controller
import platform
from commands import *
import time

# LoRaController ABP based join and ACK test
if __name__ == "__main__":
    set_debug_level(Level.DEBUG)

    port = "COM3"
    nwkskey = "58AA52E96035Axxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    appskey = "381B1C9206E9BE9xxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    devaddr = "B639xxxx"
    
    lc = None
    
    try:
      # Test controller
      lc = RN2483Controller(port)
      if lc.test():
        printd("[+] Connected to LoRa RN2483 device", Level.INFO)

        lc.serial_sr(CMD_GET_VERSION)
        lc.serial_sr(CMD_GET_HWEUI)
        lc.get_freq()
      else:
        printd(clr(Color.YELLOW, "[-] Failed to get version from LoRa device"), Level.WARNING)

    except Exception, e:
      print "Error: " + str(e)

    if lc is None:
      printd(Color.YELLOW, "Error: cannot connect to device")
      exit()

    lc.set_adr(False)
    lc.set_pwr(15)
    lc.serial_sr(CMD_MAC_PAUSE)
    lc.serial_sr(CMD_SET_SF, "sf12") # sf12, sf7
    lc.serial_sr(CMD_MAC_RESUME)

    # Join and send a message
    if lc.join_abp(nwkskey, appskey, devaddr):
        printd("[+] Connected to gateway", Level.INFO)
        
        # Data-1
        printd("[+] Sending packet #1", Level.INFO)
        timeStr = time.strftime("%H%M", time.gmtime())
        if lc.send(timeStr, ack=False):
          printd(clr(Color.GREEN, "[+] Send-1 succeeded"), Level.CRITICAL)
        else:
          printd(clr(Color.RED, "[+] Send-1 failed"), Level.CRITICAL)
        time.sleep(15)

        # Data-2
        printd("[+] Sending packet #2", Level.INFO)
        timeStr = time.strftime("%H%M", time.gmtime())
        if lc.send(timeStr, ack=False):
          printd(clr(Color.GREEN, "[+] Send-2 succeeded"), Level.CRITICAL)
        else:
          printd(clr(Color.RED, "[+] Send-2 failed"), Level.CRITICAL)
        time.sleep(15)

        del lc
        exit()

    printd(clr(Color.RED, "[-] Test failed"), Level.CRITICAL)
    del lc


Тестирование


Последний шаг, остается одно — взять ноутбук (или Arduino или Raspberry Pi) с модемом с собой и пойти (поехать, полететь) в то место, где находится зона покрытия ближайшего gateway. Мне до ближайшей зоны покрытия где-то полчаса на трамвае, так что процесс не столь долгий и дорогой.

В случае успешного приема данных, пакеты будут отображены на сервере.



Сам сервер с данными ничего не делает, на сервере можно настроить собственный код для обработки полученных данных. Данный пример лишь тестовый, с данными не делается ничего, в реальном приложении их можно складывать в базу, отсылать уведомления и пр, все зависит от поставленной задачи.

Зачем это надо?


В идеале, сеть LoRaWAN предоставляет пользователю готовый сервис передачи данных, работающий «из коробки», Достаточно лишь подключить устройство, и данные будут отправлены и обработаны ближайшим концентратором (разумеется если пользователь находится в зоне покрытия сети). Сферы применения достаточно обширны, от датчиков открытия двери, температуры или уровня воды на даче, до gps-маяка на животном или модели самолета.

Несколько видеороликов (на английском).

LoRa Alliance Introduction:



The Things Network Introduction:


Впрочем, если говорить о The Things Network, то это «любительский» сервис, разумеется не гарантирующий постоянного соединения. Существуют ли коммерческие провайдеры LoRaWAN, мне пока неизвестно.

Что делать если покрытия нет?


Может возникнуть вполне резонный вопрос — что делать, если до ближайшего gateway пара суток поездом или пара часов самолетом? В этом есть свой плюс — можно стать первым. Можно создать свой gateway и зарегистрировать его на сервере The Things Network, цена вопроса различна в зависимости от функциональности — от >1000EUR за «фирменные» многоканальные концентраторы, до 15$ за самодельные устройства на базе SX1276 и Raspberry Pi. Здесь есть сравнительная таблица разных маршрутизаторов, желающие могут изучить ее более подробно.

Последний вариант будет рассмотрен в следующей части.
  • +15
  • 17,2k
  • 7
Поделиться публикацией
Комментарии 7
    0
    А если я не хочу выпускать свою LoRa сеть в глобальную, т.е. мне нужна работа только на моём участке (датчики, задвижки и т.д.), то как можно организовать связь с аутонтефикацией и прочей защитой?
      0
      Насколько я понимаю, в настройках Gateway вы указываете адрес сервера куда слать данные, это может быть и адрес своего сервера во внутренней сети.
        0
        Вот это уже интересно, т.е. аналог сервиса «The Things Network» можно развернуть на своём сервере? Этот сервис бесплатный, но я не нашёл у них на сайте исходников. Есть что-то подобное «The Things Network» в открытом доступе?
          0
          Есть какие-то исходники для gateway, можете попытаться разобраться что и куда отсылается. Я не изучал этот вопрос.

          https://github.com/Lora-net/lora_gateway
          https://github.com/brocaar/lora-gateway-bridge
        0
        Так можно же просто использовать LoRa-модемы со своими настройками. LoRaWAN в этом случае Вам не нужен.
        0
        LoRaWAN gateway на одном относительно дешевом модуле с SX1272 или SX1276 сделать не получится. Получится сделать так называемый «single channel gateway», и, как правильно отметили в этом обсуждении, он является только «packet forwarder» и ничего больше. Для полноценного gateway, который следует спецификации LoRaWAN, т.е. сканирует все 8 каналов, обеспечивает OTAA и downlink сообщения, необходим модем на SX1301 или уже 8 модулей на SX1276, а это будет сильно подороже чем $15.
          0
          Да, совершенно верно, на SX1276 только single channel gateway сделать можно.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое