[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
- End-Device หรือ Node เป็นอุปกรณ์ Embedded Device ที่เชื่อมต่อกับ LoRa Module อย่างพวก Arduino เชื่อมต่อกับ RFM95w
- Gateway เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่รับ package ข้อมูลที่ส่งมาจาก End-Device แล้วทำการ forward ต่อไปยังส่วนของ Network Server ซึ่งจะเป็นในรูปแบบ network protocol
- Network Server ในส่วนนี้เมื่อได้รับข้อมูลจาก Gateway แล้ว server จะมีหน้าที่จัดการ Package ที่มาจาก End-Device ซึ่งอาจจะเป็นการคัดกรอง package, Authentication และการจัดการข้อมูลต่างๆ
- 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
- 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
- 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
