LoRaWANでIoTプラットフォーム（The Things Network）にデータを上げる方法 その２

これまでのお話

1. LoRaでIoTプラットフォーム（ThingSpeak）にデータを上げる方法
2. LoRaWANでIoTプラットフォーム（The Things Network）にデータを上げる方法
3. LoRaにGPSを付けて、会社の周りを歩いてみた（Google Earthで位置情報をプロットする）
4. 複数のLoRaノードをゲートウェイにアクセスさせるときに気を付けること
5. LoRa機器の受信強度（RSSI）の取得方法
6. LoRaと法律の関係について

イントロダクション

以前の投稿で、LoRaWANへの接続の方法をご紹介しましたが、このほどDragino社のゲートウェイLG01-P-JPのファームがアップデートがありまして、そちらを使うとより簡単にLoRaWANへ接続できるようになりました。

今回はファームのアップデートから、LoRaWANに接続するまでをまとめたいと思います。

使用する機器は、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、接続するIoTプラットフォームにはThe Things Network（以降TTN）となります。

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

ファームのアップデートファイル

今回アップデートするファームウェアのバージョンはfirmware 4.2.3です。

• dragino-IoT--v4.3.0-squashfs-sysupgrade.bin

ビルド済みArduinoプログラム

ゲートウェイのArduino部分のプログラムは、コンパイルされた実行ファイルを直接取り込みます。

• single_pkt_fwd_v002.hex

使用ソフト

• 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）

手順

ファームウェアのアップデート

TeratermなどでLG01-P-JPにログインし、バージョンが4.2.3より前のバージョンであれば、ファームウェアのアップデートを行います。

ファームウェアファイルのインストール

LG01-P-JPにブラウザでアクセスし、「System」→「Backup/Flash Fireware」を開きます。

現在のファームウェアのバックアップをダウンロードします。

ダウンロードした「dragino-IoT--v4.2.3-squashfs-sysupgrade.bin」を下記の項目からアップロードします。

アップデートの実行をします。

実行中の画面です。

実行が完了すると、ログイン画面が表示されます。

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。
※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し、TTNにデータをアップロードするArduinoのプログラムを書き込みます。

「Sensor」→「Flash MCU」を開きます。

ダウンロードした「single_pkt_fwd_v002.hex」をアップロードします。

「Flash Image」で書き込みが実行されます。

ゲートウェイの設定

バージョン4.2.3のファームウェアでは、ブラウザ上からLoRaWANの設定を行います。

「Sensor」→「LoRa/LoRaWAN」を開きます。

LoRaWANのゲートウェイの設定に合わせて、各項目を設定します。

下にスクロールすると、LoRaのチャネルの設定があります。
以降のLMiCのライブラリの設定に合わせて、LoRaの周波数を指定してください。

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）

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 = 923200000,      // g1   SF7-12 FSK SF7/250
       EU868_F3 = 923200000,      // g1   SF7-12
       EU868_F4 = 923200000,      // g2   SF7-12
       EU868_F5 = 923200000,      // g2   SF7-12
       EU868_F6 = 923200000,      // g3   SF7-12
       EU868_J4 = 923200000,      // g2   SF7-12  used during join
       EU868_J5 = 923200000,      // g2   SF7-12   ditto
       EU868_J6 = 923200000,      // g2   SF7-12   ditto
};
enum { EU868_FREQ_MIN = 920600000,
       EU868_FREQ_MAX = 928000000 };

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

今回のファームアップデートでは、LoRaWANゲートウェイの使い勝手が格段に良くなったと思います。
弊社からDragino社への情報提供もあってか、ファームウェアとArduinoプログラムの構成は、以前の投稿のプログラムと似ている部分があります。（我々がpythonで作った部分をファームウェアのCプログラムに置き換えたような構造です）

Dragino社の製品はファームウェアもソースがオープンなので、内容を見てみるのも面白いかと思います。

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