Práctica 10. LoRa y LoRaWAN

Introducción y objetivos

En esta práctica vamos a utilizar la tecnología LoRa para comunicar nuestros nodos esp32 entre ellos, así como con el Router de Red LoRaWAN y los servicios del cloud de The Things Network (TTN).

El nodo esp32 con el que hemos venido trabajando no dispone de radio LoRa incorporada, por lo que deberemos conectar un transceptor externo antes de poder utilizar esta tecnología para nuestras comunicaciones. Asimismo, para la conexión con los servidores de TTN necesitaremos un gateway LoRa. Por motivos prácticos usaremos un único Gateway para toda la clase, que será configurado por el profesor, aunque la memoria de la práctica detalla los pasos a seguir para su configuración y registro en TTN.

LoRaWAN. The Things Network

En la arquitectura LoRaWAN los nodos envían mensajes al aire, cualquier gateway al alcance recibe el mensaje y lo envía por Internet al servidor de red configurado, que elimina los duplicados y reenvía a su vez el mensaje al servidor de aplicación configurado.

The Things Network (TTN) es una red abierta en la que cualquier persona puede crear una cuenta y dar de alta gateways y/o nodos. Los paquetes capturados por cualquier gateway de la red TTN son enviados a su servidor de red, que los envía a su servidor de aplicación, que ofrece un dashboard al usuario donde puede ver los paquetes recibidos.

Las siguientes subsecciones describen los elementos que necesitamos para montar una red LoRaWAN, con nodos esp32, que envíen datos a un gateway LoRa conectado a la red TTN.

Registro de Gateway en TTN

Para poder desplegar nuestra red lo primero que debemos hacer es dar de alta un gateway en TTN. Esto no podemos hacerlo todos porque no habrá un gateway por alumno, pero aquí se documentan los pasos a seguir.

Primero nos conectamos a TTN, nos registramos si no tenemos cuenta, y entramos en el sistema. Una vez conectados, se nos muestra el dashboard:

En el panel izquierdo pulsamos en Gateways y luego en el botón Create Gateway del lado derecho de la ventana. Nos aparecerá una ventana en la que tendremos que introducir el identificador universal del gateway (EUI) que vendrá en la pegatina de la tapa inferior del mismo (marcado como M2 EUI):

Damos entonces a Register Gateway y el quedrá registrado en nuestro dashboard:

Sólo nos falta crear un API key para permitir la conexión del gateway. Para ello seleccionamos API keys en el panel izquierdo del dashboard del gateway que hemos creado y pulsamos el botón Add API Key en el lado derecho de la ventana. Rellenamos los datos y pulsamos Create API Key:

Se nos abrirá una ventana que nos permitirá copiar el API key generado. Es importante hacer la copia y guardarla porque la necesitarmos para configurar nuestro el Gateway.

Gateway Laird Sentrinus RG1xx

Este proceso no podemos hacerlo todos puesto que no disponemos más que de un gateway LoRa comercial, concretamente el modelo Sentrinus RG1xx de Laird. A continuación se describe el proceso que debemos seguir para configurar dicho gateway para trabajar con TTN.

Empezaremos por conectarnos a la web de configuración del gateway usando su interfaz wifi. Para ello pulsaremos el botón de usuario (parte trasera) durante unos 10 segundos y luego lo soltamos. Esto configurará un punto de acceso wifi con SSID rg1xx294c1f al que nos conectaremos. Una vez conectados abriremos un navegador web y nos conectaremos a la dirección 192.168.1.1 e introducimos el usuario y contraseña (consultar manual si no se ha cambiado). Entonces selecionamos la opción LoRa en el menú superior y se abrirá una página. En el panel izquierdo pulsaremos en Forwarder y en el panel central seleccionaremos el modo Semtech Basics Stations. Además tendremos que proporcionar la url del servidor de red (LNS server), el certificado del servidor y el Key File, siguiendo las instrucciones de la página de TTN y usando el API key generado en TTN en el paso anterior para el gateway.

Podemos entonces conectar el gateway a la red por su interfaz ethernet (que podemos configurar previamente) o activar su interfaz wifi para el acceso a internet (que debemos configurar en esta misma web). Si todo ha ido bien, veremos en el dashboard de TTN que nuestro gateway se ha conectado:

Registro de Aplicación en TTN

Una vez registrado el Gateway debemos registrar una aplicación en TTN a la que podremos vincular nodos. Esto podemos hacerlo cada uno por nuestra cuenta. Para ello pulsaremos en Applications en el panel izquierdo del dashboard, y acto seguido en el botón Add Application de la parte derecha de la ventana, y rellenamos los datos para la aplicación:

Pulsamos a Create Application y nos mostrará el dashboard de la aplicación, que nos permitirá añadir nodos a la aplicación, como se indica en la siguiente subsección.

Registro de End-Devices

El dashboard de la aplicación está actualmente vació:

Para añadir un nodo pulsamos en Register End Device. Como vamos a crear un end device a partir de una placa esp32 debemos seleccionar Enter end device specifics manually; si tuvieramos un nodo comercial podríamos darlo de alta escaneando un QR o seleccionandolo en el menú desplegable. Introducimos los datos como muestra la figura siguiente, seleccionando como JoinEUI/AppEUI el identificador que queramos:

Al pulsar en Confirm se nos mostrarán nuevos campos para introducir o generar el identificador del dispositivo (devEUI) y la clave de la aplicación (AppKey). Pulsaremos el botón generar en ambos casos y copiaremos los valores generados porque luego tendremos que usarlos en el firmware del nodo que desarrollemos. Finalmente pondremos un nombre a nuestro dispositivo:

Pulsaremos Register End Device para completar el proceso.

Transceptor HopeRFM95

El dispositvo HopeRFM95 es un pequeño trasceptor LoRa que puede conectarse por SPI a cualquier microcontrolador para dotarle de conectividad LoRa. Han salido al mercado varios modelos de breakout boards que nos permiten adaptar este transceptor a una breadboard y así poder usar cables estándar para conectar el transceptor a nuestro nodo esp32.

La siguiente figura muestra el esquema de una de estas placas de breakout, fabricada por adafruit:

Para conectar este transceptor al esp32 dev kit rust, debemos poner ambos sobre una breadboard. Debido a la anchura del transceptor no tendremos acceso a los pines por los dos lados, por lo que deberemos utilizar cable de puente (jumper wire) para sacar las conexiones de uno de los lados, dejando el otro accesible para conexiones directas. Lo más sencillo es sacar el pin G1, ya que es el único pin que necesitamos de ese lado.

El pinout del dev kit rust es el siguiente:

Una posible conexión entre el transceptor y la esp32 dev kit rust sería la siguiente:

Adafruit 3070	esp32 dev kit rust	Función
RST	5	Reset
CS	6	SPI SS
MOSI	2	SPI MOSI
MISO	3	SPI MISO
SCK	4	SPI CLK
G0	0	DIO0
GND	GND	GND
Vin	3.3 V	3.3 V
G1	1	DIO1

La siguiente figura muestra como las dos placas conectadas con las conexiones indicadas en la tabla anterior:

Codigo del nodo: librería ttn-esp32

La librería ttn-esp32 es un componente para esp-idf que proporciona comunicación LoRaWAN con The Things Network. Soporta dispositivos conectados a transceptores Semtech SX127x. Esta librería soporta las siguientes características de TTN:

• OTAA (activación remota, over the air activation)
• Mensajes uplink y downlink
• Guardado los EUIs y la clave en memoria no volátil
• Deep sleep y apagado sin necesidad de reincorporación
• Comandos AT para el aprovisionamiento de EUIs y clave (de modo que el mismo código puede ser flasheado a varios dispositivos)
• Compatibilidad con las regiones de Europa, América del Norte y del Sur, Australia, Corea, Asia e India
• API en C y C++

Este componente usa por debajo la librería LMIC de IBM (específicamente la versión mantenida por MCCI) y proporciona una API de alto nivel específicamente dirigida a The Things Network.

Para crear un proyecto que use esta librería lo primero que haremos es clonar el repositorio en nuestro equipo o descargar el zip de la rama master:

git clone https://github.com/manuelbl/ttn-esp32.git

o

wget https://github.com/manuelbl/ttn-esp32/archive/master.zip
unzip master.zip

Después copiaremos el ejemplo que viene con la librería en examples/hello_world a un nuevo directorio. Dentro de la copia creamos un directorio components y dentro copiaremos toda la librería ttn-esp32. La estructura que tendrá el proyecto será:

hello_world/
+- CMakeLists.txt
+- components/
|  +- ttn-esp32
|     +- ...
+- main/
|   - CMakeLists.txt
|   - component.mk
|   - main.cpp
+- Makefile

Si echamos un vistazo al fichero main.cpp veremos que el programa se conectará a TTN, y después el nodo se pondrá a enviar mensajes "hello world" uplink (hacia el servidor de aplicación) al ritmo de uno por segundo. El programa debe ser configurado definiendo los valores de una serie de macros, que determinan por un lado los identificadores del nodo para TTN y por otro lado los pines usados para la conexión del esp32 con el transceptor LoRa.

Para los identificadores del nodo en TTN usaremos los datos obtenidos en el registro del end device en TTN:

// AppEUI (sometimes called JoinEUI)
const char *appEui = "0101010101010101";
// DevEUI
const char *devEui = "70B3D57ED006B7B2";
// AppKey
const char *appKey = "8427407CC943D5B188160CC89F176846";

Para la conexión entre ambos chips indicada, arriba en la sección del transceptor HopeRFM95, la configuración de pines sería como sigue:

#define TTN_SPI_HOST      SPI2_HOST
#define TTN_SPI_DMA_CHAN  SPI_DMA_DISABLED
#define TTN_PIN_SPI_SCLK  4
#define TTN_PIN_SPI_MOSI  2
#define TTN_PIN_SPI_MISO  3
#define TTN_PIN_NSS       6
#define TTN_PIN_RXTX      TTN_NOT_CONNECTED
#define TTN_PIN_RST       5
#define TTN_PIN_DIO0      0
#define TTN_PIN_DIO1      1

Una vez configurado el fichero fuente main.cpp, haremos un menuconfig para configurar la librería ttn-esp32. En la parte final (abajo) del menú principal encontraremos la entrada The Things Network, y seleccionaremos en ella las entradas como en la figura siguiente:

Después podemos compilar el proyecto y descargarlo en la placa (flash). Lo monitorizaremos, y si todo ha ido bien iremos viendo en el dashboard de nuestra aplicación TTN cómo se van recibiendo los mensajes.

La aplicación envía el mensaje hello world, pero el dashboard nos muestra el payload del mensaje en hexadecimal. Podemos usar el servicio de RapidTable para traducir el payload hexadecimal a ascii y comprobar así que el payload recibido es correcto.

Comunicación LoRa raw

Podemos también hacer comunicaciones LoRa diréctamente entre los nodos sin necesidad de utilizar la infrastructura de red LoRaWAN. Para ello podemos hacer uso de la librería esp32-lora-library que es un componente de esp-idf que podemos añadir a un proyecto para tener comunicaciones LoRa usando transceptores de la familia Semtech SX127x.