Déploiement d'un réseau LoRaWAN
Sommaire
Présentation générale
- Nom du projet : Déploiement d'un réseau LoRaWAN
- Stagiaire : Ibrahim BEN DHIAB
Sujet de stage
Dans le cadre des travaux de recherches menés sur les objets connectés, l'étudiant devra déployer au sein de l'IRCICA un réseau expérimental LoRaWan. Pour cela, il devra installer et configurer une passerelle LoRaWAN pour la réception des données. Puis, il déploiera une dizaine de noeuds. Chaque noeud est composé d'un microcontrôleur STM32F4, d'une radio LoRa I-NUCLEO-LRWAN1 et de capteurs (température, ouverture de porte, ...). L'étudiant devra réaliser la programmation de chaque noeud et mettre en place une solution pour faciliter le redéploiement du code. Les noeuds seront ensuite installés dans différents bureaux.
LoRaWAN
LoRaWAN est un protocole de télécommunication permettant la communication à bas débit, par radio, d'objets à faible consommation électrique communiquant selon la technologie LoRa et connectés à l'Internet via des passerelles, participant ainsi à l'Internet des objets. Ce protocole est utilisé dans le cadre des villes intelligentes, le monitoring industriel ou encore l'agriculture. La technologie de modulation liée à LoRaWAN est LoRa, née à la suite de l'acquisition de la startup grenobloise Cycléo par Semtech en 2012. Semtech promeut sa plateforme LoRa grâce à la LoRa Alliance, dont elle fait partie. Le protocole LoRaWAN sur la couche physique LoRa permet de connecter des capteurs ou des objets nécessitant une longue autonomie de batterie (comptée en années), dans un volume (taille d'une boite d'allumettes ou d'un paquet de cigarettes) et un coût réduits.
LoRaWAN est l'acronyme de Long Range Wide-area network que l'on peut traduire par « réseau étendu à longue portée ».
Matériel
- 1 Raspberry Pi 3 Model B + carte SD minimum 8go : utilisé pour héberger le serveur LoRaWAN et la passerelle
- 1 Concentrateur IC880A-LoRaWAN : utilisé comme passerelle
- X ST-NUCLEO-F401RE : composé d'un microcontrôleur STM32F4 et d'une connectivité type Arduino Uno Revision 3
- X Shield USI I-NUCLEO-LRWAN1 WM-SG-42 : shield radio LoRa
- Capteurs... (HT11 pour la température et l'humidité, PIR pour détection de mouvement infrarouge)
- Lecteur de carte SD
- Câble USB vers série
Configuration du Rasperry Pi
Installation de l'OS et configuration initiale
Tout d'abord, télécharger Raspbian Stretch Lite, Lite car l'interface graphique n'est pas utile pour notre utilisation. Ensuite, il s'agit simplement de suivre le guide d'installation de l'image sur la carte SD qui sera ensuite insérée dans le Pi.
Avant d'insérér la carte, pensé à ajouter la ligne enable_uart=1 à la fin du fichier config.txt situé dans la partition BOOT de la carte pour activer la liaison série du Raspberry. Une fois insérer, connecter le câble USB vers série sur le PC et les fils TX et RX sur les pins RX et TX du Pi respectivement. Les pins 8 et 10 de la liaison série du Pi sont visibles ci-dessous :
Le Pi peut maintenant être alimenté, et on peut y accéder via un terminal à l'aide de la commande minicom -8 -b 9600 -o -D /dev/ttyUSB0. Les logins par défaut sont pi : raspberry .
Maintenant, il est nécessaire de connecter l'appareil à Internet, relier le ainsi par Ethernet, et il devrait se configurer automatiquement par DHCP. Par la suite, on souhaite se connecter par SSH au Pi, il est ainsi nécessaire de mettre en place une IP statique, pour cela, il faut au préalable récupérer des informations.
Lancer ip -4 addr show | grep global qui retournera ce genre de résultat inet 192.168.42.12/24 brd 192.168.42.255 scope global eth0. On connaît maintenant l'adresse IP du Pi, mais l'IP statique qu'on lui attribuera sera 192.168.42.250 pour s'assurer qu'aucun autre appareil utilise la même IP.
Ensuite, trouver l'adresse du routeur (ou de la gateway) avec ip route | grep default | awk '{print $3}', dans notre cas on obtient 192.168.42.1.
Enfin, récupérer l'adresse du serveur DNS à l'aide de cat /etc/resolv.conf et garder en tête l'adresse après nameserver.
La méthode dhcpcd sera utilisée pour définir l'IP statique:
Edité /etc/dhcpcd.conf comme suit à l'aide de l'éditeur de votre choix (dans mon cas nano):
# Example static IP configuration: interface eth0 static ip_address=192.168.42.250/24 #static ip6_address=fd51:42f8:caae:d92e::ff/64 static routers=192.168.42.1 static domain_name_servers=192.168.42.12
Changer le mot de passe du Pi à l'aide de passwd puis rédemarrer le avec sudo halt.
Il est maintenant possible de se connecter en SSH au Pi avec ssh pi@192.168.42.250, il n'est plus nécessaire d'utiliser le câble série.
Configuration du iC880A-SPI
Tout d'abord, on configure les locales pour éviter d'éventuel problèmes, pour cela, taper sudo raspi-config, et naviguer vers Localisation Options/Change Locale. Une fois dans le menu Locale, sélectionner les locales en_GB.UTF-8 et fr_FR.UTF-8 avec la touche espace, puis entrée, et sélectionner fr_FR.UTF-8.
Mettez à jour les pacquettages du Pi avec sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade -y.
Il existe un driver open source sur le github de Semtech pour les appareils LoRa basé sur un SX1301, et le concentrateur est justement équipé d'un SX1301. Installez git sur le Pi avec sudo apt-get install git, créé un dossier mkdir -p ~/LoRa/, navigué dedans cd ~/LoRa/ et cloné le git https://github.com/Lora-net/lora_gateway. Pour des raisons de débuguage, il faut modifier au préalable la ligne DEBUG_HAL= 1 dans /lora_gateway/libloragw/library.cfg.
Compilez la librairie et les quelques programmes de test situés dans les sous-dossiers de lora_gateway avec make. Si la compilation est réussie, la librairie libloragw.a a dû être créée et est prête à l'usage par le packet tracer qu'y sera installé par la suite.
Ce driver nécessite une interface SPI pour fonctionner, et elle doit être activée sur le Pi. Pour cela, retourner dans le menu raspi-config, puis dans Interfacing Options, activer SPI. Maintenant que SPI est activé, il faut préparer le Reset Pin Control, pour contrôler le pin du GPIO qui sera connecté au pin Reset du iC880A. C'est très simple, il existe dans le dossier lora_gateway un fichier shell nommé reset_lgw.sh et il est lancé de cette manière ./reset_lgw.sh {start|stop} [<gpio number>], dans notre cas, 17 est le pin du GPIO. Plus tard, on configurera le lancement de cette commande au démarrage du Pi. Connectez le concentrateur comme indiquez ci-dessous:
| 21 (VDD) | 2 (+5V) |
| 22 (GND) | 6 (GND) |
| 14 (SPI_CLOCK) | 23 (SPI0_CLOCK) |
| 15 (SPI_MISO) | 21 (SPI0_MISO) |
| 16 (SPI_MOSI) | 19 (SPI0_MOSI) |
| 17 (SPI_NSS) | 24 (SPI0_CE0) |
| 13 (Reset) | 11 (GPIO_17) |
Pour s'assurer que tout fonctionne bien, lancez l'utilitaire 'util_tx_test' avec ./util_tx_test -r 1257 -f 866.5 et vous devriez observer un résultat de ce genre:
Sending -1 LoRa packets on 866500000 Hz (BW 125 kHz, SF 10, CR 1, 16 bytes payload, 8 symbols preamble) at 14 dBm, with 1000 ms between each lgw_board_setconf:427: Note: board configuration; lorawan_public:1, clksrc:1 lgw_rxrf_setconf:488: Note: rf_chain 0 configuration; en:1 freq:866500000 rssi_offset:0.000000 radio_type:2 tx_enable:1 tx_notch_freq:129000 lgw_rxrf_setconf:488: Note: rf_chain 1 configuration; en:1 freq:866500000 rssi_offset:0.000000 radio_type:2 tx_enable:0 tx_notch_freq:129000 lgw_start:823: Note: calibration started (time: 2300 ms) lgw_start:844: Note: calibration finished (status = 159) WARNING: problem in calibration of radio A for TX DC offset Info: Initialising AGC firmware... Info: putting back original RADIO_SELECT value INFO: concentrator started, packet can be sent Sending packet number 1 ...INFO: tx_start_delay=1495 (1495.500000) - (1497, bw_delay=1.500000, notch_delay=0.000000) INFO: Enabling TX notch filter 58.a0.0.0.6a.5.1.2.0.9a.10.0.0.8.0.0.54.45.53.54.0.1.61.62.63.64.65.66.67.68.69.6a.end OK Sending packet number 2 ...INFO: tx_start_delay=1495 (1495.500000) - (1497, bw_delay=1.500000, notch_delay=0.000000) INFO: Enabling TX notch filter 58.a0.0.3.3d.5.1.2.0.9a.10.0.0.8.0.0.54.45.53.54.0.2.61.62.63.64.65.66.67.68.69.6a.end OK
Pour arrêter l'utilitaire, appuyer sur Ctrl+C. Si le test est bien réussi, on peut passer à la mise en place du serveur LoRa.
Configuration du LoRaServer
Packet Forward de Semtech
Au préalable, il faut installé le packet forwarder de Semtech, il tournera sur le Pi et permettra de transmettre les paquets RF reçus par le concentrateur vers le serveur LoRa à l'aide d'une liaison IP/UDP.
Comme pour lora_gateway, dans le même dossier, on clone le projet avec git clone https://github.com/Lora-net/packet_forwarder. Il faut maintenant le configurer.
Dans lora_pkt_fwd/cfg/, choisir le global_conf.json adapté à votre utilisation (référez-vous au git du packet_forwarder en cas de doute), global_conf.json.PCB_E286.EU868.basic dans notre cas, renommez-le en global_conf.json avec mv global_conf.json.PCB_E286.EU868.basic global_conf.json, et remplacer le global_conf.json dans lora_pkt_fwd/ par celui que vous venez de renommer avec mv global_conf.json .. si vous êtes situé dans le dossier cfg/.
Lorsque le programme est lancé, il effectue une analyse grammaticale des fichiers json :
- s'il détecte un debug_conf.json, il ignore tout autre fichier de configuration
- si c'est un global_conf.json, il l'analyse et passe au fichier suivant
- si il y a un local_conf.json qui redéfinit des paramètres présents dans le global_conf.json, alors la configuration locale écrase celle globale.
Ainsi, dans le fichier local, ajouter les lignes comme suit :
"gateway_conf": {
"serv_port_down": 1700, // port de réception
"serv_port_up": 1700, // port d'envoi
"server_address": "localhost", // adresse du serveur, localhost comme il est hébergé directement sur le Pi
"gateway_ID": "<ID de votre concentrateur>" // l'ID peut être obtenu en utilisant le shell update_gwid.sh fournit dans lora_pkt_fwd/,
// utiliser la commande ./update_gwid.sh local_conf.json et le gateway_ID devrait
// être automatiquement mis à jour, et doit ressembler à B827EBFFFE87BD11
}
Attention, si vous souhaitez un réseau privé, il faut modifier la variable "lorawan_public" en false à la 3ième ligne du fichier global_conf.json.
Vous pouvez maintenant compiler le programme avec make dans le dossier packet_forwarder/ et lancer l'exécutable avec ./lora_pkt_fwd/lora_pkt_fwd. Si tout fonctionne correctement, le programme affiche la configuration puis la réception et l'envoi de données.
Installation LoRaServer
L'installation du LoRaServer est simple, en effet, il existe un guide bien détaillé à ce sujet : https://www.loraserver.io/guides/debian-ubuntu/
N'hésitez pas à utiliser un autre mot de passe que celui par défaut (dbpassword) pour la base de données, et dans ce cas là, pensez également à modifier loraserver.toml et lora-app-server.toml.
Une fois l'installation terminée, vous devriez être capable d'accéder à l'interface web de LoRa App Server à partir de n'importe quel ordinateur sur le même réseau à l'adresse <IP du Pi>:8080. Les identifiants par défaut sont admin:admin, il est maintenant possible d'ajouter votre première passerelle ainsi qu'un appareil.
- Sélectionner le menu : Network-servers
Appuyer sur : ADD
Onglet : GENERAL
Network-server name : <nom quelconque>
Network-server server : localhost:8000
Onglet : GATEWAY DISCOVERY
Décocher : Enable gateway discovery (à activer si vous utilisez plusieurs gateways)
Sélectionner : ADD NETWORK-SERVER
- Sélectionner le menu : Service-profiles
Appuyer sur : CREATE
Service-profile name : <nom quelconque>
Network-server : sélectionner le Network-server créé précédemment
Cocher : Add gateway meta-data
Décocher : Enable network geolocation
Device-status request frequency : 0
Minimum allowed data-rate : 0
Maximum allowed data-rate : 5
Sélectionner : CREATE SERVICE-PROFILE
- Sélectionner le menu : Device-Profiles
Appuyer sur : CREATE
Device-profile name : <nom quelconque>
Network-server : sélectionner le Network-server créé précédemment
LoRaWAN MAC version : 1.0.1 (cela est obtenue avec la commande AT: AT+VER lorsque vous êtes connecté en série au module I-NUCLEO-LRWAN1)
LoRaWAN Regional Parameters revision : A
MAX EIRP : 0
Sélectionner : CREATE DEVICE-PROFILE
- Sélectionner le Device-profile que vous venez de créer
Onglet : JOIN(OTAA/ABP)
Cocher : Device supports OTAA
