イントロダクション

前回の投稿で、LoRaでのIoT（「モノ」と「インターネット」をどう繋ぐのか？）について紹介しました。
今回の記事では一歩進んで、LoRaWANでのIoTについてまとめたいと思います。

使用する機器は前回同様、弊社（株式会社オープンウェーブ）のLoRa IoT スターターキットですが、接続するIoTプラットフォームにはThe Things Network（以降TTN）を使用します。

LoRaとLoRaWAN

この二つは、似て非なるものです。

LoRa

無線の通信規格（物理層の規格）。

LoRaWAN

ノードからIoTプラットフォームまでのプロトコル。

2019/2/1

TTNから画像が削除され、他で分かりやすく説明されている画像と差し替えました。
作者:https://www.researchgate.net/profile/Jonathan_De_Carvalho_Silva

上図は、LoRaWANのプロトコルを説明する図です。
LoRaWANの場合、3つの登場人物がいます。

センサー：センサーを設置する機器（ノード、エンドデバイスと表現したりもする。）
ゲートウェイ：デバイスから受け取ったパケットを、ネットワークサーバに上げる機器
ネットワークサーバ：IoTプラットフォーム（ここにデータが集まる。）

LoRaが利用されている部分は、センサーとゲートウェイの間です。（PHY Layer→物理レイヤのLoRa）

LoRaWANは、センサー、ゲートウェイ、ネットワークサーバの一連のプロトコル全体です。
ゲートウェイはカプセル化して転送（Packet Forward）するだけです。
ネットワークサーバがTTNです。
私はセンサーとネットワークサーバを直接結ぶ赤い矢印この層をLoRaWANだととらえています。

アプリケーションから見れば、センサーとネットワークサーバが繋がっているように見えるという状態です。（ゲートウェイは単なる中継者）

LoRaWANの良いところ

LoRaを使ってIoTをするときと比べると、登場人物は同じで、役割も変わりません。
ではLoRaWANのメリットは、何でしょうか？次の二つが大きいと思います。

通信の暗号化

LoRaWANでは、デバイスとバックエンドの通信が暗号化されています。デバイスからの電波が傍受されても、傍受者はデータは読み取れません。

デバイス（ノード）毎にデータを管理

Thing Speakではチャネル毎にデータを管理していました。（複数のデバイスから一つのチャネル宛にデータを投げると、見分けがつきません）
LoRaWANでは、デバイスごとにEUIと呼ばれるIDを管理し、デバイス単位のより細かいデータの管理が可能です。

The Things Network（TTN）とは

EUでLoRaWANの草分け的存在で、LoRaWANのことを調べるとだいたいここにたどり着きます。
TTNではバックエンドを誰でも使えるように公開しています。

世界初のクラウドソーシング型IoTネットワーク
オランダの首都アムステルダムでは、2015年8月、世界で初めて、クラウドソーシングによるIoT向けネットワークの構築に取り組む『The Things Network』を創設。

有志の市民や地元企業らが、IoT向け無線通信規格LoRaWANに準拠するゲートウェイを合わせて10台購入し、それぞれの住宅やオフィスに設置。

わずか6週間で、アムステルダム市内にIoTネットワークを張り巡らせることに成功した。

引用：http://news.mynavi.jp/news/2015/11/14/244/

全体像

デバイス：LoRa Mini
ゲートウェイ：LG01-JP
デバイスの固定文字列「Hello, world!」を、LoRaWANプロトコルでTTNへ送信します。

使用ハードウェア

Dragino社のLoRa IoT スターターキット
- Dragino LG01-JP：LoRaゲートウェイ
- Dragino LoRa mini：LoRaノード

使用ソフト

Arduino IDE(1.6.13)
Python 2.7(LG01-JPにインストールされている)
TeraTerm等ターミナルのソフト
WinSCP等SCPの使えるソフト
Arduino用LMiCのライブラリ(下記をダウンロードして、Arduino IDEのライブラリにインクルードしておく) https://github.com/matthijskooijman/arduino-lmic

使用プログラム

LoRaWANExample/lora-arduino/lora-arduino.ino　　→デバイス（LoRa mini）
LoRaWANExample/liteLoraGW/liteLoraGW.ino　　　→ゲートウェイLoRa受信(LG01-JP)
LoRaWANExample/pythonScript　　　　　　　　　→ゲートウェイTTN送信(LG01-JP)

手順

TTNの設定

アプリケーションとデバイスの登録

TTNにアカウントを作成し、アプリケーションの登録と、そのアプリケーションにデバイスを登録します。
アプリケーションは作成後、ABPに変更します。（デフォルトはOTAA）
デバイスを作成した時に得られた、Network Session Key、App Session Key、Device Addressを控えます。

)

ゲートウェイの登録

次の点に注意し、TTNでゲートウェイを作成します。

予めLG01-JPにTeraTerm等でログインし、MACアドレス※1を控えておきます
TTNでゲートウェイの登録を行います
- 「I'm using the legacy packet forwarder」を選択した上で作成します
- Gateway IDはLG01-JPのMACアドレスを上3桁、FF、FF、下三桁で登録します
  - 例：MACアドレス「AA BB CC 11 22 33」の場合「AA BB CC FF FF 11 22 33」となる
- 他は適宜設定します※2

※1：MACアドレスについて、LG01-JPには複数あります。（WiFiと有線の口ですね）
WiFiと有線のどちらのMACアドレスを使うのか？という疑問が出てくるかと思いますが、実はどちらでも構いません。
Pythonのプログラムの項でもGateway IDを使うのですが、ハードから直接MACアドレスを取得したりはしません。
多数のゲートウェイを設置する場合には、この辺を自動で設定する必要があります。

※2：ゲートウェイの接続先ルータの設定について。
ゲートウェイのプログラミングでは、現在router.au.thethings.network（オーストラリア）のサーバへ接続しています。
そのため、下記の設定では、アジアのルータを設定してください。

ゲートウェイのプログラミング

ゲートウェイでは、LoRaでデバイスからデータを受信するArduinoのプログラムと、TTNにデータを転送するPythonのプログラムがあります。

Pythonのプログラム

「使用プログラム」のpythonScript内のgwstat.pyを開き、Gateway IDの個所を、TTNに登録したGateway IDで書き換えます。

gwstat.py

# change your gateway ID(from 0xA8 to 0xD4)
head = chr(1) \
+ chr(random.randint(0,255)) \
+ chr(random.randint(0,255)) \
+ chr(0) \
+ chr(0xA8) \
+ chr(0xAA) \
+ chr(0xAA) \
+ chr(0xFF) \
+ chr(0xFF) \
+ chr(0xAA) \
+ chr(0xAA) \
+ chr(0xD4)

書き換えたgwstat.py含み、pythonScript内のファイルとフォルダを、LG01-JPの下記のディレクトリに配置します。（WinSCP等で可能です。dataディレクトリは作成してください。）

/mnt/mtdblock3
        ├─data
        ├─base64.py
        └─gwstat.py

Arduinoのプログラム

「使用プログラム」のliteLoraGW.inoを、Arduino IDEで開きます。
→LG01-JPに書き込み

デバイスのプログラミング

デバイス側では、LMiCライブラリの修正とデバイス情報の設定が必要になります。

LMiCライブラリの修正

LMiCとは、IBMが作成した暗号化を含めたLoRaのMACプロトコル→LoRaMACのライブラリです。（LoraMac in Cの略）
LoRaWANではLoRaMACを使用しているため、デバイスはLoRaMACに準拠してコーディングする必要があります。下記サイトがLMiCのサイトですが、LoRa WAN in Cとなっています。LoRaMAC＝LoRaWANのような流れがあるように思われますね。ファイル名は今のところlmicのままです。
https://www.research.ibm.com/labs/zurich/ics/lrsc/lmic.html

これをArduinoで使えるようにしたものが「使用ソフト」に挙げたArduino用LMiCのライブラリです。
2017/3現在のLMiCライブラリ（v1.5ベース）は、EUとUS基準の無線周波数の設定が用意されています。そのまま日本では使えないので、とりあえず簡単に日本で使っても良い設定に変更します。

Arduino IDEを通常通りインストールすると、インクルードしたライブラリは\Documents\Arduino\librariesに配置されます。
\Documents\Arduino\libraries\arduino-lmic-master\src\lmic\lorabase.hを開き、EUの設定を書き換えます。

lorabase.h修正前

// Default frequency plan for EU 868MHz ISM band
// Bands:
//  g1 :   1%  14dBm
//  g2 : 0.1%  14dBm
//  g3 :  10%  27dBm
//                 freq             band     datarates
enum { EU868_F1 = 868100000,      // g1   SF7-12
       EU868_F2 = 868300000,      // g1   SF7-12 FSK SF7/250
       EU868_F3 = 868500000,      // g1   SF7-12
       EU868_F4 = 868850000,      // g2   SF7-12
       EU868_F5 = 869050000,      // g2   SF7-12
       EU868_F6 = 869525000,      // g3   SF7-12
       EU868_J4 = 864100000,      // g2   SF7-12  used during join
       EU868_J5 = 864300000,      // g2   SF7-12   ditto
       EU868_J6 = 864500000,      // g2   SF7-12   ditto
};
enum { EU868_FREQ_MIN = 863000000,
       EU868_FREQ_MAX = 870000000 };

lorabase.h修正後

// Default frequency plan for EU 868MHz ISM band
// Bands:
//  g1 :   1%  14dBm
//  g2 : 0.1%  14dBm
//  g3 :  10%  27dBm
//                 freq             band     datarates
enum { EU868_F1 = 923200000,      // g1   SF7-12
       EU868_F2 = 923400000,      // g1   SF7-12 FSK SF7/250
       EU868_F3 = 923600000,      // g1   SF7-12
       EU868_F4 = 923800000,      // g2   SF7-12
       EU868_F5 = 924000000,      // g2   SF7-12
       EU868_F6 = 924200000,      // g3   SF7-12
       EU868_J4 = 924600000,      // g2   SF7-12  used during join
       EU868_J5 = 924800000,      // g2   SF7-12   ditto
       EU868_J6 = 925000000,      // g2   SF7-12   ditto
};
enum { EU868_FREQ_MIN = 920600000,
       EU868_FREQ_MAX = 928000000 };

※上記は、複数チャンネルのある環境（923.2MHz～925MHzの9チャネル）を想定した設定です。送信する際、チャネルを切り替えながら送信します。LG01-P-JPのプログラムは923.2MHzの1チャネルのみでコーディングしています。（F2～J6のチャネルで送信しているデータは受信できません）

デバイスのプログラミング

「使用プログラム」のlora-arduino.inoを、Arduino IDEで開きます。
「アプリケーションとデバイスの登録」で控えたNetwork Session Key、App Session Key、Device Addressで下記を書き換えます。

lora-arduino.ino

//ttn
static const PROGMEM u1_t NWKSKEY[16] = { 0x19, 0x7C, 0x79, 0x8E, 0x6D, 0xDE, 0xEB, 0xA6, 0x92, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0FF, 0xFF };
// LoRaWAN AppSKey, application session key
// This is the default Semtech key, which is used by the prototype TTN
// network initially.
//ttn
static const u1_t PROGMEM APPSKEY[16] = { 0x07, 0x8C, 0xB1, 0x4F, 0x1E, 0xAD, 0x39, 0x4A, 0x99, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0FF, 0xFF };
// LoRaWAN end-device address (DevAddr)
// See http://thethingsnetwork.org/wiki/AddressSpace
//ttn
static const u4_t DEVADDR = 0x2600FFFF;

このソース内でmydataという変数が、送信するデータです。
→LoRa miniに書き込み

接続確認

TTNにログインし、コンソールでデバイスの画面を開きます。

データを受信すると、リストに表示されます。

行を展開すると、受信したデータの詳細を見ることができます。

Payloadの「48656C6C6F2C20776F726C6421」が、デバイスのmydataになります。
この数字をASCII文字で表現すると、「Hello, world!」になります。

最後に

今回使用したLMiCにはまだ日本のLoRaWANの基準が実装されていないこともあり、「とりあえず日本で飛ばしてよい周波数」で動かしました。
本来であれば、どのチャンネルをどう使うかなどLoRa AllianceのLoRaWANの仕様とARIBのSTD-T108が定める仕様に則って実装する必要があると思います。

注意

プログラミングにはArduino IDEを使用しますが、事前にArduino IDEに次の設定が必要です。

Dragino向けの設定をしておく必要があります。 http://www.ibeacondo.com/download/LG01_LoRa_Gateway_Manual_JP.pdf
次のライブラリを検索してインクルードしておく必要があります。
- 「LoRa」(LoRaライブラリ)

この記事で使用するソースは、使用するハードに依存している部分が大きいため、他のハードとの組み合わせでどうなるかは分かりません。

また、今回使用したプログラムは、LoRaWANの仕様を完全に満たしているわけではありません。（最も簡単なLoRaWANによるデータのアップロードをしているだけです。パケットのカウントや、SN比の算出など、ゲートウェイやデバイスの状態を表す値の取得の実装もダミーで実装しています。）

株式会社オープンウェーブ

LoRaWANでIoTプラットフォーム（The Things Network）にデータを上げる方法

イントロダクション

LoRaとLoRaWAN

LoRa

LoRaWAN

LoRaWANの良いところ

通信の暗号化

デバイス（ノード）毎にデータを管理

The Things Network（TTN）とは

全体像

使用ハードウェア

使用ソフト

使用プログラム

手順

TTNの設定

アプリケーションとデバイスの登録

ゲートウェイの登録

ゲートウェイのプログラミング

Pythonのプログラム

Arduinoのプログラム

デバイスのプログラミング

LMiCライブラリの修正

デバイスのプログラミング

接続確認

最後に

注意