The Things Network V2 / LoRaWAN : découverte

EDIT :Mise en garde. The Thing Networks va mettre en place progressivement en 2021 une nouvelle version plus stricte (v3) de son protocole. Les premiers échanges sur son forum laissent penser que les solutions logicielles décrites à ce jour dans ce fil de discussion ne fonctionneront plus l'année prochaine, ceci vaut tant pour les devices que pour la 'mini passerelle'. Ce qui a été decrit ici et fonctionnait reposait sur une version 'allégée' ne respectant pas à 100% le protocole. La version V3 du protocole semble , pour donner de la robustesse au réseau, mettre de fait à l'écart les éléments tolérés jusqu'à présent. .. A suivre..... mais je pense qu'il est prudent de ne plus s'engager dans la voie décrite il y a deux ans dans ce fil de discussion... jusqu'au message #10 inclus[/color][/b] Bonjour Echaudé par Sigfox (impossibilité de renouveler l'abonnement d'un an pour un seul appareil) je me tourne vers LoRaWAN et plus particulièrement The Things Network (TTN) , réseau WAN collaboratif et ouvert. ça me rajeunit... je revis les débuts du réseau WiFi collaboratif FON et ses Foneras!! Sur la base d'une première réalisation à base de Mega 328, d'ESP32 et de transceivers LoRa Semtech SX1276 je propose une série d'articles de 'prise en mains' -> Présentation de LoRa et LoRAWAN sur http://www.linuxembedded.fr/2017/12/introduction-a-lora/ |500x280 1- Mise en place des éléments sur la Console TTN -application comportant un ou plusieurs 'devices' (appareils) -éventuelle passerelle perso en cas d'absence de passerelle disponible dans le voisinage 2. Réalisation d'un 'device' (capteur) basé sur une carte Loraduino (= Mini Pro 8Mhz 3V3) + transceiver LoRa SX1276 3. Réalisation d'une MINI passerelle (Gateway) mono canal économique carte TTGO ESP32 LoRa 868 OLED V1 4. Traitement des donées reçues par les serveurs TTN : MQTT, Ubidots, ThingSpeak, IFTTT ....... 5. gestion des infos en retour TTN -> device Aperçu : d'un bout à l'autre de la chaîne aujourd'hui ça donne ça pour l'information 'tension batterie' de la carte Loraduino le capteur LoRaWAN TTN (= 'device') : |500x273 Les données reçues par TTN |500x232 Présentation des données avec Ubidots Education : |500x144 Rédaction progressive.....!! Loraduino.png|549x300 5.png|627x291 Ubidots.png|1019x294 logo.png|92x62 ensemble TTN.png|821x461

Partie 1 : Utilisation de la Console TTN

Il s'agit ici, après inscription à The Things Network, de déclarer :

-une application -un ou plusieurs 'devices' (capteurs pour l'instant) -une passerelle ... si le besoin s'en fait sentir (pas de passerelle active dans un rayon de 2km :( )

Ces déclarations permettront de récupérer diverses infos importantes dont des clefs à reporter dans le code des 'devices' et de la passerelle ('gateway')

Création d'une application (nommée ici mas91-19) |500x288 Cliquer sur APPILCATIONS, puis ADD APPLICATION |500x71

Création d'un 'device' Cliquer sur REGISTER DEVICE et nommer celui ci |500x82

Choisir le mode d'activation ABP (le plus simple, le moins sécurisé = clefs constantes codées en dur) |500x378

Relever l'adresse et les deux clefs la première NSK permet l'authentification, la seconde ASK sert au cryptage des données .

la création de la passerelle éventuelle sera décrite plus loin

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PARTIE 2 : Réalisation d'un 'Device' (capteur LoRaWAN) (< 10€)

Matériel : Carte LoraDuino mais une carte Mini Pro 3V3 8MHz et un SX1276 suffisent. Pour me simplifier la vie j'ai pris chez l'un de mes fournisseurs asiatiques préférés ( documentation et suivi des produits) une carte Loraduino sur laquelle j'ai soudé un SX1276 (868-915 MHz) acheté séparément |500x180 Elle comporte un chargeur d'accu LiPo et une petite mémoire Flash SPI 8 Mb inutilisée ici (cf schéma carte Loraduino joint avec une erreur le quartz est bien à 8Mhz)

Logiciel : on trouve en général pour cet emploi des codes utilsant la librairie LMIC, j'ai trouvé quelque chose de plus 'KISS', une librairie reprise par Adafruit : TinyLoRa "TinyLORA : A LoRaWAN LIbrary" qui fait l'affaire.(elle est présente dans le gestionnaire de librairies , elle est également OK pour ESP). ATTENTION , devient obsolète en 2021 suite aux changements opérés dans le protocole TTN

Quelques adaptations de l''exemple 'hello_LoRa_single_chan' et ça roule.... les paquets bien formattés pour le LoRAWAN de TTN partent dans l'air et .... si par chance une passerelle TTN du voisinage les capte ils sont routés dans le réseau TTN. Sinon , faire une passerelle TTN !

Voici le code d'exemple adapté à la carte Loraduino (led) + renseignement de l'adresse et des deux clefs du 'device' relévées précédement sur la console TTN Dans ce code j'ai également fixé des valeurs de canal, d'étalement (SF) et de bande passante (BW) identiques à celles de la passerelle que j'ai du me résoudre à faire.

/*

  OK sur carte LORADUINO  (Electrodragon) = Mini Pro 3283,3V 8MHz + radio Semtech SX1276 868 MHz+ .....
  
  Emission de données vers le réseau LoRaWAN collaboratif TTN  
  via une passerelle perso ou toute autre passerelle TTN disponible à proximité

  Le canal , l'étalement (sf) et la bande passante ( BW) doivent être  définis en lignes 71  et 72
  A l'identique de leur définition dans la passerelle monocanal perso (TTGO LoRA Oled V1)

  les lignes 38, 41 et 44 reprennent les 2 clefs et l'adresse du "device" obtenus sur la console TTN
  L'activation en mode ABP implique que ces clefs soient constantes et codées 'en dur' dans le code
  l'activation par OTA se fait par négociation , elle apporte plus de sécurité, mais ne semble pas encore
  à la portée des librairies utilisées ici.

*/

// Hello LoRa Single Channel - ABP TTN Single Channel Packet Sender
// Tutorial Link: https://learn.adafruit.com/the-things-network-for-feather/using-a-feather-32u4
//
// Adafruit invests time and resources providing this open source code.
// Please support Adafruit and open source hardware by purchasing
// products from Adafruit!
//
// Copyright 2015, 2016 Ideetron B.V.
//
// Modified by Brent Rubell for Adafruit Industries, 2018
/************************** Configuration ***********************************/


#include 
#include 

# define LED_BUILTIN 7
const int batterie = A7; // pont diviseur tension batterie

// Network Session Key (MSB)
uint8_t NwkSkey[16] = { A RENSEIGNER}; // MSB

// Application Session Key (MSB)
uint8_t AppSkey[16] = { A RENSEIGNER}; // MSB

// Device Address (MSB)
uint8_t DevAddr[4] = { A RENSEIGNER}; // msb

/************************** Example Begins Here ***********************************/
// Données à envoyer vers TTN (payload)
unsigned char loraData[4] = {"    "};

// délai entre deux émissions
const unsigned int sendInterval = 300;

//  TinyLoRa(irq,ss)
//TinyLoRa lora = TinyLoRa(26, 18); // TTGO32
TinyLoRa lora = TinyLoRa(2, 10); // Loraduino d'Electrodragon

/*
 * 
 */
void setup() {
  delay(2000);
  Serial.begin(115200);
  //while (! Serial);

  // Led de la carte
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  Serial.print("lancement LoRaWAN...");

  // configurer (canal, étalement, bande passante) comme fait avec la passerelle monocanal
  lora.setChannel(CH0);
  lora.setDatarate(SF9BW125);
  if (!lora.begin()) {
    Serial.println("Echec");
    while (true);
  }
  Serial.println("OK");
}

/*
 * 
 */
void loop() {
  Serial.println("Envoi données vers TTN...");

  uint16_t vbatt = 6.4 * analogRead(batterie);

  //envoi 2 octets (paquet reformaté à convenance dans  la console TTN)
  loraData[0] = highByte(vbatt);
  loraData[1] = lowByte(vbatt);

  lora.sendData(loraData, sizeof(loraData), lora.frameCounter);
  Serial.print("Compteur Trames : "); Serial.println(lora.frameCounter);
  lora.frameCounter++;

  // del témoin d'envoi
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

  Serial.println("temporisation...");

  delay(sendInterval * 1000);
}

A l'arrivée , dans la console TTN , voici l'info 'tension de la batterie' |500x232

1600px-Loraduino_sch.png|1600x820

5.png|627x291

LOraDuino.png|703x254

Partie 3 : Création d’une passerelle perso TTN monocanal (<20€)

Près de 300 ‘vraies’ passerelles TTN sont déjà implantées en France, dont de nombreuses en région parisienne. Aucune ne m’est actuellement accessible , je suis dans une ‘zone blanche’, les paquets émis par mon ‘device’ ne sont pas captés, donc pas routés dans TTN.

Solution adoptée pour la passerelle (Gateway) TTN : Faire une petite passerelle perso simplifiée.
Matériel : une carte ESP . TTGO 32 LoRa Oled V1 dans mon cas

Logiciel : un code exceptionnel , de Maarten Westemberg ( lien vers le dépot github ) , qui prmet de faire une passerelle monocanal à très faible coût (<20€)
Ce code s’appelle ESP-1ch-Gateway-V5.0. (V5.3.3)

Il est très structuré (une quinzaine d’onglets) et bien documenté, a été fait pour ESP8266 et vient d’être adapté aux ESP32.
N.B Sur le dépot j’ai récupéré également toutes les librairies et les ait installées et utilisées telles quelles pour cette application même si certaines d’entre elles peuvent dater un peu.

La configuration avant compilation est à effectuer dans le fichier ESP-sc-gway.h en divers endroits
je joins mon fichier mon fichier ESP-sc-gway.h.

Sauf oubli , les lignes modifiées dans ce fichier de configuration ont été les lignes :
90 : adaptation à ma carte
116 pour désactiver WiFIManager qui semblait mal fonctionner et ne m’est pas utile
138 : pour sélectionner le type d’afficheur de ma carte
195 : pour reporter le nom de la passerelle choisi dans la console TTN (voir plus haut)
196 à 200 : mail, coordonnées…
263 : point d’accès WiFi /!\ attention à laisser intacte la 1e ligne du tableau

Certains parametres peuvent être modifiés ensuite ‘à chaud’ car l’application ouvre un serveur HTTP de paramétrage :

Enregistrement de la passerelle côté TTN
Se connecter à TTN , ouvrir la console, choisir Gateway

Register Gateway

Nommer la passerelle

Passerelle monocanal ?

Malheureusement elle est pratiquement cantonnée à une seule fréquence, un facteur d’étalement et une bande passante. Elle ne peut capter et router que des paquets d’un type unique et délaisse les autres.

Ce n’est pas une passerelle TTN complète , elle ne peut pas ‘servir’ tous les paquets variés susceptibles d’être émis par des tiers mais elle peut servir à tester TTN… en attendant de pouvoir pleinement jouer le jeu du partage avec une passerelle TTN complète.

MISE A JOUR : dépôt de la version 6.2.6 (octobre 2020 ) GitHub - things4u/ESP-1ch-Gateway: Version 6 of the single channel gateway

9.png

TTGOV1.png

ESP-sc-gway.h (11.5 KB)

Partie 4 : Exploitation des données reçues par les serveurs TTN

La transmission se fait bien , les données brutes apparaisent dans la console TTN.... et après ?

Le menu Payload Format de la console permet d'appliquer une fonction de son choix sur les données brutes reçues. ça permet au besoin, comme avec Sigfox, de 'tasser' les données dans le paquet radio émis et "déplier" à l'arrivée. dans mon cas la valeur de tension de batterie apparait en clair à partir des deux octets reçus |500x238

ce n'est pas tout, le menu Integrations permet de "s'accrocher" à des services divers, propres à TTN ou tiers (IFTTT, Ubidots...)

En attendant d'utiliser les service 'HTTP Integration' pour envoyer les données vers ThingSpeak j'ai activé la conservation des données dans le service 'Data Storage' de TTN et dans Ubidots que j'utilise par ailleurs en complément de ThingSpeak (le transfert vers Ubitots est facilité avec TTN)

|500x84

Le résultat sur Ubidots Education: |500x144

-> Fonctionnalités et limitations d'Ubidots Education (gratuit)

decodage.png|615x293

format.png|487x369

services.png|1052x177

Partie 5 : Gestion des informations en retour (de TTN vers le 'device') (Non réalisé pour l'instant en raison des limitations actuelles du code de ma passerelle perso.)

Toujours pas d'avancée, la communication reste pour l'instant unidirectionnelle

Capteur -> passerelle -> Box -> Serveurs TTN -> Application

-> Par contre rédaction d'un message #7 décrivant la réalisation d'un second 'device ' (capteur) avec une carte TTGO LORA Oled V1 et une librairie LoRaWan distincte ce celle utilisée ci dessus pour le 'device 'avec la carte a Mega 328

Tu t'y mets aussi finalement !!! ;) Très intéressant, merci du tuto.

Création d’un second ‘DEVICE’ , cette fois ci avec une carte ESP32 'TTGO LoRa OLED V1’

Le message #2 décrivait un ‘device’ utilisant une variante de carte Pro Mini dotée d’un transceiver LoRa SX1276 (868 MHZ)

Ici je présente la création d’un second ‘device’ avec une carte à ESP32 , la carte TTGO LoRA Oled V1, identique à celle utilisée en #3 pour faire la mini passerelle TTN

N’ayant pas encore pu exploiter avec ESP32 la librairie LoRaWAN légère utilisé précédemment (#2) je me suis rabattu ici sur une librairie plus lourde issue d’IBM, souvent utilisée, la librairie LMIC , ou plutôt l’une des trois variantes disponibles dans le gestionnaire de librairies

la communauté TTN est très active, docs, forum…
Pur exploiter cette carte j’ai utilisé les informations disponibles içi

Je suis parti d’un exemple utilisant la méthode ABP pour la connection avec le réseau WAN TTN (The Things Network), l’exemple ttn-abp, et l’ai adapté :
-a ux données (adresse et clefs fournies par TTN)
-a la carte TTGO LoRa Oled V1 (câblage du SX1876, LED bleue…)
-aux restrictions imposées par la passerelle monocanal perso
-pour l’instant les donnée envoyées sont constantes, l’afficheur n’est pas utilisé, ni le WiFi ou le BT, il s’agit juste de valider la chaïne de transmission des infos, pas encore de deep-sleep entre les émisions…

Première étape : déclarer (créer) un second ‘device’ dans la console TTN
lui attribuer un nom et un identifiant du genre" 01 23 45 67 89 AB"
La Console attribue au ‘device’ une adresse hexa et deux clefs (authentification et cryptage) à reporter dans le code

Seconde étape : adapter l’exemple.Les interventions sur l’exemple ‘ttn-abp’ sont les suivantes :

lignes 67-71 : report de 2 clefs et de l’adresse (attribuées par TTN)
ligne 81 : données constantes à transmettre (en attendant mieux…)
ligne 86 intervalle entre les émissions (en secondes)
lignes 91-94 : GPIO de liaison avec la puce radio SX1276
lignes 99-110 forçage d’une fréquence et d’un facteur d’étalement, ici canal 0 et SF 7, comme réglé précedemment sur la mini -passerelle . (sans ces lignes la librairie LMIC qui fait du “LoRaWAN standard”, change la fréquence d’émission… chose que ne sait pas faire la mini passerelle, résultat 1 paquet sur trois seulement était accepté par la passerelle. D’ou le besoin du forçage)
ligne 278 : appel de la fonction de forçage radio (canal et SF uniques)

Le programme testé avec succès est joint (trop long pour la publication dans le message), je vois sur la Console TTN les données issues des deux devices, peu de paquets perdus (collisions entre devices ?)

ESP32-LMIC-ttn-abp.ino (11.7 KB)

Une remarque

Contrairement au cas du WiFi les 'devices LoRaWan' n'ont pas à se connecter aux passerelles ('gateways') de la même manière qu'une station WiFi se connecte à un point d'accès.

Les deux clefs et l'adresse renseignées dans le code des 'devices' (en mode d'activation ABP) ne servent que pour l'accès au réseau Wan TTN.

Ma petite MINI passerelle réglée sur 868,1 MHz (canal 0) avec un facteur d'étalement de 7 accepte tout paquet émis avec ces réglages et les relaient par Internet aux serveurs de TTN

De même les paquets émis par mes 'devices' sont susceptibles d'être captés et relayés par d'utres passerelles que la mienne

CI dessous la réception et la prise en charge d'un paquet reçu d'une source distante (à 122 dB , preuve de la grande sensibilité permise par la modulation LoRa). Les paquets gérés par la passerelle sont cryptés et cette dernière ne peut en principe les décrypter. |500x109 (copie d'écran de la page web servie par la mini passerelle)

paquets.jpg|768x168

Un article complet et détaillé sur ce sujet ( TTN , LoRaWAN, noeud, passerelle......) Article orienté Raspberry Pi

https://www.framboise314.fr/mise-en-place-dune-passerelle-et-dun-noeud-lora/#more-3374

Bonjour

Voici une solution alternative pour faire un ‘Device’ connectable au réseau LPWAN collaboratif ‘The Things Networks’

Elle utilise un nouveau module, le E78 868LN22S de la société EBYTE (sorte de ‘modem LoRaWAN’)

http://www.ebyte.com/en/product-view-news.aspx?id=770

Ce module associe (dans une puce ASR6501) un microcontrolleur ARM Cortex M0+ et une puce radio SX1268 de Semtech

Les modules E78 sont vendus flashés avec un firmware de commandes AT permettant de gérer complètement la connection LoRaWAN.

/!\ Pas de LoRa point à point avec ce module il est exclusivement LoRaWAN !!

Le code à placer dans une carte Arduino , une cartes à ESP8266 , ESP32 ou autre est alors très simple, il se résule à l’envoi de quelques commandes AT
http://www.ebyte.com/en/downpdf.aspx?id=770

Les prix font du yoyo sur les boutiques d’Aliexpress qui le vendent (CDEBYTE, CDSENET, COJXU…)
je le vois aujourd’hui 9 janvier à 3,41€, port compris chez CDSENET !!

Pour le test, après avoir défini un nouveau device dans la console TTN et récupéré ses divers paramètres : adresse, clefs…

j’ai préconfiguré le module à la main (ordinateur + interface USB UART 3,3V)
commandes : AT+DEVADDR, AT+CDEVEUI, AT+CAPPEUI, AT+CAPPSKEY , AT+CNWKKEY pour reporter les paramètres du device puis AT+CSAVE pour enregister la configuration

câblage d’un module E78 et , pour ce test, d’un WEMOS D1 Mini

Le plus délicat est le câblage du module E78 au pas de 1,27mm !!

Le code simpliste (joint) utilise pour les commandes AT , la classe SteamDevice de @J-M-L et mets en ‘deep-sleep’ les E78 et le D1 Mini entre les envois de données sur le réseau LPWAN “The Things Networks”
Il enchaîne deux seules commandes AT, la première demande un envoi unique, sans réponse, d’une donnée de 4 octets , la seconde met en sommeil le E78.

N.B : Programme à améliorer, la gestion des reveils n’est pas assez soignée , je constate de temps en temps l’envoi d’une trame avec la donnée à mise à zéro.

EDIT : Variante en remplaçant l’ESP8266 par une carte Pro Mini 8MHz 3V3 modifiée (-led , -regulateur) consommation de l’ensemble en veille 7,3µA… pas mal pour un capteur LoRaWAN sur réseau TTN alimenté sur pile ou batterie

EDIT 2 : 5µA en veille avec un E78 dont l’alimentation traverse un MOSFET P (IRLML6401) commandé par la carte Pro Mini 8MHz/3V3 modifiée… ça fait un ‘device’ TTN LoRaWAN très sobre !!

schema.png

E78-8266-SteamDevice_ECO.ino (1.55 KB)

module E78.png

maquette.png

Bonjour

Evolution importante du protocole du réseau LoRaWAN collaboratif The Thing Networks (V2 -> V3) Tout ce qui précède va devenir obsolète au cours de l'année 2021

Voir la mise en garde ajoutée en début du fil

A suivre j'espère avec de solutions simples compatibles avec la version 3 du protocole.

Quand au petit module E78 de l'article ci dessus sa comptatibilté avec la version 3 doit être prouvée, je suis en attente d'une réponse de EBYTE à ce sujet