LoRa hands-on workshop

Transcriptie

1 LoRa hands-on workshop Paul Dekkers 23 maart 2016

2 Programma Lunch Technische achtergrond Use-cases Break Extra skills Hands-on Borrel 2

3 Sensor netwerken, Things Een mesh is niet praktisch: weinig range, doorgeven van data kost energie, coördinatie bron: link-labs 3

4 LoRa: bandwidth vs. range Als Bluetooth, BLE, WiFi, NFC, Zigbee onvoldoende range, en M2M 2-4G te kostbaar ac 5G Bandwidth WiFi g 2G Bluetooth/BLE RFID/NFC Range LoRa bron: TTN 4

5 LoRa, LoRaWAN, LPWAN? LPWAN verzamelnaam voor Low Power WAN - Star topology - Long range - Low bandwidth but regulated Unlicensed spectrum onder 1 GHz, bereik! (433, 868 MHz) bron: Sematech 5

6 LoRa, LoRaWAN, LPWAN? Meerdere oplossingen: - SigFox, 12 bytes zenden, issues met US spectrum, Slow message is easier to hear, geen spreading, altijd lage snelheid < 100bps, - LoRa Alliance, LoRaWAN dynamische data-rate, kanalen, 300bps-5.5kbps, 11kbps-50kbps bi-directioneel, mobility, localisation - Link Labs Symphony Link (gebruikt LoRa PHY), Nwave, Weightless 6

7 Frequenties, bw, duty-cycle, power band frequenties max. power duty cycle dbm (10 mw) 0,1% (3,6 sec/uur) 867, g dbm (25 mw) 1% (36 sec/uur) 868, g dbm (25 mw) 1% 869, g dbm (500 mw) 10% (6 min/uur) 7

8 Duty-cycle Meer (met voorbeeld) op pagina 34 van de spec ;-) 8

9 LoRa (PHY, modulatie techniek) Chirp Spread Spectrum: bandbreedte, te decoderen onder de ruisvloer ook bij interferentie of fading Werkt bepaalde snelheid niet? Dan lagere snelheid Localisatie, timing 9

10 LoRa snelheden 10

11 LoRa snelheden Spreading Factor (SF), modulatie snelheid Spreading Factor Chips/symbol SNR limit Time-on-air (10 byte packet) Bitrate ms 5469 bps ms 3125 bps ms 1758 bps ms 977 bps ms 537 bps ms 293 bps Korte time-on-air gunstig voor power, duty-cycle, fair-use bron: TTN 11

12 LoRaWAN: adaptive data rate (ADR) Andere SF op basis van ontvangen signaal Received packet Spreading Factor SNR limit SF = 12 SNR = -10 db Can increase rate to SF10: -10 db (SNR) - 5 db (margin) = -15 db Link ADR request: SF10 bron: TTN 12

13 LoRaWAN klasse s: wij gebruiken A Drie klasse s: Klasse A: zenden vanuit node, transmit window (~52 bytes), 2 receive windows (ACK, evt. data, ~10 bytes) (Klasse B: naast A ook receive windows op gezette interval, tijd-synchronisatie beacons - in ontwikkeling) Klasse C: continue receive window (behalve bij zenden), als er voldoende stroom is (en lage latency nodig) 13

14 Klasse A, packet windows Transmit RX1 or: RX2 receive delay 1 1 sec, TX freq & SF receive delay 2 2 sec, RX2 freq & SF ~52 bytes ~10 bytes ~10 bytes max. payload & airtime depends on SF 14

15 LoRaWAN adressen, keys Activation By Personalisation (ABP) - DevAddr, 4 bytes - NwkSKey, 16 bytes - AppSKey, 16 bytes Over The Air Activation (OTAA) - DevEUI, 8 bytes - AppEUI, 8 bytes - AppKey, 16 bytes Waarmee je krijgt: - DevAddr, 4 bytes - NwkSKey, 16 bytes - AppSKey, 16 bytes 15

16 LoRaWAN adressen, keys (2) Activation By Personalisation (ABP) - DevAddr, 4 bytes, ab - NwkSKey, 16 bytes, 2b7e151628aed2a6abf cf4f3c - AppSKey, 16 bytes, 2b7e151628aed2a6abf cf4f3c Over The Air Activation (OTAA) - DevEUI, 8 bytes, 0004a30b001b AppEUI, 8 bytes, 2b7e151628aed2a5 - AppKey, 16 bytes, 2b7e151628aed2a6abf cf4f45 Waarmee je krijgt: - DevAddr, 4 bytes - NwkSKey, 16 bytes - AppSKey, 16 bytes 16

17 OTAA, Join join-request RX1 or: RX2 join accept delay 1 5 sec, TX freq & SF join accept delay 2 6 sec, RX2 freq & SF AppEUI (8) + DevEUI (8) + DevNonce (2) aes128_decrypt(appkey, AppNonce (3) + DevAddr (4) + Settings (2)) NwkSKey = aes128_encrypt(appkey, 0x01 + AppNonce + DevNonce + pad16) AppSKey = aes128_encrypt(appkey, 0x02 + AppNonce + DevNonce + pad16) 17

18 LoRaWAN schaalbaarheid Gateways met 8 frequenties Alle 6 SF s op elke frequentie Meerdere simultane SF s op elke frequentie Bij collision: sterkste signaal wint Bij congestie: meer gateways - Node dichter bij de gateway - door ADR gaat de SF omlaag - minder airtime Bij KPN: betalen voor gebruik, 200/dag Bij TTN: fair-use, 30 seconden air-time per device/dag (~20 met SF12, ~500 met SF7, meer mogelijk) 18

19 Typical LoRaWAN network bron: LoRa Alliance

20 KPN uitrol Landelijk dekkend netwerk met SF10 Uptime als 2G Diverse development locaties Certificering voor productie gebruik? Lokalisatie (volgt) B2B, Commercieel Gebruikt drukker deel van het spectrum (ivm. 4G) Security, decryptie (op dit moment) bij KPN Downlink geen reactie op Uplink 20

21 The Things Network Globaal community LoRaWAN netwerk Geen single point of control End-to-end encryptie Poly-forward Geen landsgrenzen Overlap device-adressen via segmenten Gebruik recent vrijgegeven sub-band g1, line 3, Note 5 21

22 The Things Network, Architecture Community network, no centralised infrastructure NR A R B H 041FBA43 S1, S2 P A R B H A S2, S1, S3 S2, S1, S3 S3, S2 Routers and brokers create message-bus for applications to subscribe to bron: TTN

23 The Things Network Globaal community LoRaWAN netwerk Geen single point of control End-to-end encryptie Geen landsgrenzen Overlap device-adressen via segmenten Gebruik recent vrijgegeven sub-band g1, line 3, Note 5 23

24 TTN: 10 gateways in Amsterdam

25 TTN (25%) Kickstarter coverage

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36 ook metingen in Eindhoven ;-)

37 Toepassingen? Het netwerk, en nu vacuum pomp asset-management dijken environmental, luchtkwaliteit, geluid CO2 in collegezaal digital seal schoonmaak-karren (vuil,rol)containers aardbevingen smart meters onderhoud bruggen volgen OV-fiets (onderhoud) verkeersdrukte overstroming gebouwbeheer treinstellen koelkast researchers straatverlichting parkeerplaatsen lekkage planten water geven wildlife volgen 37

38

39

40

41

42

43

44

45

46 en SURFnet? Workshops, kennis delen, samenwerken Gateways bij aantal instellingen: toepassing en dekking op de campus onderzoeken, uitdagen en helpen van gebruik eduroam monitoring sensor, rapporteren via LoRaWAN Sterke authenticatie, niet gekoppelde tweede factor Network-server, uitbouwen tot een platform voor gebruikers? SURFconext? onderdeel van TTN? Hoe helpen we onderzoekers, docenten, studenten,? 46

47 SURFnet demo-portal

48 MQTT? MQTT is een pub(lish)/sub(scribe) messagebus, m2m, IoT, IRC voor dingetjes Broker, Topics thermostaat pub t in topic huis/temperatuur, 20 ketel sub t in topic huis/temperatuur inbreker sub t in topic huis/+ of huis/+/+ of huis/# (voor huis/woonkamer/temperatuur) brew install mosquitto 48

49 Applicatie op zoek naar data Gateway kan data forwarden naar meerdere Network Servers demo backends: The Things Network, MQTT en HTTP API - thethingsnetwork.org/api/v0/nodes/ / - mosquitto_sub -h croft.thingsnetwork.org -t nodes/ /packets Eigen test server, MQTT (ook met OTAA, ACK/return) - mosquitto_sub -h lora.surfnet.nl -t nodes/ /up/1 - mosquitto_pub -h lora.surfnet.nl -t devices/(app_eui)/(dev_eui)/1 -m Hoi - mosquitto_sub -h lora.surfnet.nl -t devices/(app_eui)/(dev_eui)/up/+ 49

50 Node-RED Wiring the Internet of Things

51 Node-RED Drag-and-drop, javascript functions,

52

53 Microchip RN2483 TX sys reset mac set nwkskey 2b7e151628aed2a6abf cf4f3c mac set appskey 2b7e151628aed2a6abf cf4f3c mac set devaddr FF mac set adr on mac save mac join abp mac tx uncnf [port] [data] mac tx uncnf 1 486f69 mac tx cnf 1 486f69 RX ok ok ok ok ok ok ok accepted ok mac_tx_ok mac_rx [port] [data] not_joined ok mac_rx [port] [data]

54 Hands-on! Hello world via serieel Hello world via LoRa - LoRa chip direct aanspreken - voorprogrammeren Sensor data via LoRa Data ontvangen via LoRa Instructie op: username: 23maart password: lorawan 54

55 Workshop instructies Username: 23maart Password: lorawan Portal: Username: jouw mail-adres Password: 23maart 55

56 Questions? paul.dekkers [at] surfnet.nl