Gateway LoRaWAN ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz unico canal con The Things Network

Desde hace algunas semanas he realizado pruebas con la tecnología LoRa, también hemos escuchado sobre LoRaWAN, tiempo después creamos una cuenta en la Plataforma TTN o “The Things Network”, aplicada especialmente a estas redes LP-WAN, para este nuevo tutorial crearemos un gateway LoRaWAN utilizando un modulo ESP8266 y un Radio Modem RFM95/95W a una frecuencia de 915mHz con un solo canal para conectar con TTN.



Gateway LoRaWAN

Cual es la función de los gateway?, es redireccionar la información recibida por los nodos LoRa y transmitirla a Internet, en nuestro caso transmitirla a la plataforma TTN, se podría decir que es un router bidireccionar LoRa-TCP/IP, ya sea Ethernet (LAN ,WLAN) o GSM.

Actualmente con el auge de la cultura Maker, cada vez es mas fácil fabricar nuestros propios dispositivos, y los Gateway LoRaWAN no son la excepción, con unos pocos dolares podemos fabricar una versión funcional ya sea con un Raspberry Pi y los Shield LoRa/LoRaWAN existentes, generalizando técnicamente existen 3 clases:

Gateway Professionales o Industriales

Estos dispositivos son mas robustos poseen certificaciones IP67 para ambientes externos, son multicanales, estan certificados por LoRa Alliance, algunas de las marcas conocidas son:



Gateway DIY

En su mayoría han sido creados y diseñados por comunidades que han adoptado LoRaCharles hallard ha creado pcb fascinantes tales como:

También existen Shield profesionales, tales como estos creados por la empresa The Libelium, cual vende kits para arduino y Raspberry Pi




Gateway Semi-professional

Existe la posibilidad de crear una versión intermedia entre Robusta y DIY, he vistos los RAK modulos para Raspberry Pi.



Tutoriales Previos

Para esta prueba he diseñado un prototipo integrando el hardware mencionado anteriormente el ESP-LoRa v1.0, advierto esta prueba es una versión básica que servirá como introducción a LoRaWAN.

Aclaremos inicialmente que LoRa y LoRaWAN no son lo mismo:

  • LoRa es la capa física  o en palabras sencillas es la modulación , el modem o radio, el hardware.
  • LoRaWAN es el protocolo de la red o la arquitectura que trabaja sobre LoRa.

Recomiendo antes de continuar, ver los siguientes 2 tutoriales solucionar algunas dudas o preguntas sobre el tema, también existen otras fuentes de información mas detalladas sobre el tema en Internet .

1. Introduccion LoRa & Modulo RFM95 Hoperf

Introduccion LoRa & Modulo RFM95 Hoperf

2. Comunicación LoRa ESP8266 & Radio RFM95 #1

Comunicación LoRa ESP8266 & Radio RFM95 #1

Pruebas Realizadas

  1. Crear cuenta en The Things Network, recomiendo ver el siguiente tutorial:

Introduccion y Crear cuenta en Plataforma The Things Network IoT LoRaWAN

2. Diseñar Hardware

En Internet existen gran variedad de conexiones y diseños de pcb terminadas para estas pruebas.

En mi caso realice el diseño desde cero ESP-LoRa, me tomo un tiempo realizar las combinaciones funcionales entre ESP8266 y modulo LoRa RFM95, tener en cuenta lo siguiente:

  • Importante, Las Bandas ISM asignadas a su país antes de comprar su modulo LoRa investigar, en mi caso mi País “Colombia” tiene disponible entre 902 y 928 Mhz técnicamente a 915 Mhz son mis modulos, The Things Network cuenta con una tabla detalla frecuencias por país, muy detallada frequencies-by-country, en caso de comprar a otra frecuencia quizás corren el riesgo de utilizar frecuencias ocupadas para otras aplicaciones.

10 PCB’s Profesionales con Seeed Studio Fusion – Prototipos ESP-LoRa



3. Codigo Arduino IDE Original y Oficial

Es muy posible que ya se hayan realizado mejoras, al repositorio Github de proyecto original que utilice, dado que mi prueba fue hace algunos meses.

Single Channel LoRaWAN Gateway

El código fue creado por M. Westenberg, esta bajo licencia Licencia MIT, inicialmente agradecimientos a el por compartir su código públicamente, considero que el código tiene una alta complejidad y le debió tomar mucho de su tiempo en pruebas y depuración.

Codigo GitHub Version Actualizada: /ESP-1ch-Gateway-v5.0

Recomiendo leer esta documentación previamente dado que ha sido un proyecto que ha iniciado desde la versión 1.0 y ha evolucionado a la v5.0

Recomendado : Things4U – Internet of Things for You

Funcionalidades

El código fue creado para realizar el mínimo de modificaciones para su uso, configurando el archivo

ESP-sc-gway.h, a continuación listare algunas de sus características y funcionalidades:

Nota Importante: la aplicación actualmente solo funciona con los módulos de radio sx1276 (y Hope RF95).

  • Permite actualizaciones (OTA).
  • Servidor Web para visualización y configuración.
  • Display Oled i2c para depuración.
  • Configuración de credenciales de red con WifiManager.
  • Recopilación estadística de envíos y recepciones.
  • Permite transmitir datos a su propio servidor, configurar url y puerto, en caso de tenerlo.
  • El gateway también permite configurarse como Nodo/Sensor.

Nota: El repositorio Github contiene todas las librerías utilizadas, ya compatibles con el proyecto. 

Recomendado: Things4U – Internet of Things for You

 

Materiales



Modificaciones y Adaptaciones codigo Arduino IDE

Realmente la versión original creada por M. Westenberg, por defecto esta configurada con características para la región europea, técnicamente su frecuencia es a 868 mHz, Me tome la tarea de probar adaptar o modificar levemente el código para funcionar a 915 mHz y realizar la conexión con un servidor TTN local.

A continuación detallare las modificaciones al código arduino IDE realizadas a tener en cuenta, técnicamente fueron pocas.

Recomendación: Para una explicación mas detallada paso a paso recomiendo ver el vídeo completo “Gateway LoRaWan ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz single channel with The Things Network” disponible en nuestro canal de Youtube PDAControl.

 Configuración de Pines

he modificado la configuración de pines para mi pcb, el bus SPI funciona por los pines normales.

Configuración Servidor TTN

Por defecto estaba configurado para servidores TTN europeos, lo he modificado para conectar el gateway con servidores TTN americanos.

Información y Localización

Información del gateway, que deber ser configurada previamente:

  • Identificación de gateway.
  • Ubicación y altura.
  • servidor NPT, según su país (región).
  • Ajuste UTC.

Parámetros de RED

Configurar SSID y Password de Red en la segunda posición de Array (linea 227), la primera linea esta ocupada por WifiManager y también puedes colocar una tercera red en caso que las 2 primeras no estén habilitadas.

Frecuencia

Hemos modificado la frecuencia a 902300000 Hz o 902.3 mHz, canal 0.

Hardware

En mi caso diseñe pcb ESP-LoRa y las he fabrico con la empresa SeeedStudio, no es obligatorio usar mis pcb, pueden realizar su montaje en un protoboard, tal cual como yo lo realiza inicialemente.

Recomendación: Para una explicación mas detallada paso a paso recomiendo ver el vídeo completo “Gateway LoRaWan ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz single channel with The Things Network” disponible en nuestro canal de Youtube PDAControl.

 

Terminal Serial

Visualizaremos la conexión desde la salida serial del ESP8266:

Servidor Web

Como mencione anteriormente la aplicación cuenta con un servidor web (pagina web), para depuración y configuración, simplemente ingresando desde un navegador a la dirección IP asignada a nuestro ESP8266.

 

Ingresar a la Consola The Things Network

Vamos a agregar nuestro nuevo gateway, necesitamos nuestro GATEWAY ID.

Configuración de Gateway

Recomendación: Para una explicación mas detallada paso a paso recomiendo ver el vídeo completo “Gateway LoRaWan ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz single channel with The Things Network” disponible en nuestro canal de Youtube PDAControl.

  • Gateway Configurado.

Gateway en Linea

Si ingresan a The Things Network en el Mapa de la pagina, si no hay inconvenientes de red Wifi o alimentación, posiblemente puedan visualizar mi gateway conectado.

Recomendación: Para una explicación mas detallada paso a paso recomiendo ver el vídeo completo “Gateway LoRaWan ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz single channel with The Things Network” disponible en nuestro canal de Youtube PDAControl.

 



Terminologia LoRaWAN

  • Factor de propagación SF
  • Factor de expansión

Conclusiones & Recomendaciones

Confieso no soy un experto en el tema, para despejar dudas recomiendo ver los tutoriales de Andreas Spiess, son tutoriales muy completos didacticamente entendibles.

Referente ala prueba realizada, utiliza el mínimo de recursos, desactivar las funcionalidades que no serán utilizadas para el ahorro de memoria.

Otra fuente de información muy útil es el Foro de la comunidad The Things Network referente a la  ESP-1ch-Gateway-v5.0 , personalmente agradezco a estos foros .

En próximos tutoriales

Utilizando la misma configuración de hardware configuraremos un nodo que enviara datos a The Things Network, implementando la librería Lmic o LoraMAC-in-C muy utilizada con Arduino y otros microcontroladores.

Recomendación: Para una explicación mas detallada paso a paso recomiendo ver el vídeo completo “Gateway LoRaWan ESP8266 & RFM95 (ESP-LoRa) 915mHz single channel with The Things Network” disponible en nuestro canal de Youtube PDAControl.

 



Descargas /Github

 

Referencias

 

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