Nová gateway sítě IoT LoRa TTN na jihu Čech

Zřejmě si říkáte, co to je? Patří to do radioamatéření? Ano, patří, i když ne až tak s koncesí. Sítě IoT (česky „sítě internet věcí“) jsou velmi úzce spjaté s bastlením a jsou již nedílnou součástí našeho éteru. Co to vlastně to IoT je? Stručně řečeno, jedná se o radiovou datovou síť určenou pro připojení všelijakých věciček prostřednictvím rádiových vln do sítě, také i do internetu, v Evropě provozované na volných kmitočtech v pásmu 868MHz (433MHz je možné, ale nevyužívá se). Proč ale IoT síť, když tu máme staré dobré GSM, Wifi, satelitní připojení a mnoho dalších? Inu, všechny dnes tradiční sítě nejsou vždy vhodné pro připojení drobných přístrojů, čidel a třeba mobilních alarmů, které jsou poháněny baterií, malým solárním článkem, nebo i jen tepelným zářením kvůli jejich vysoké energetické náročnosti. Jistě byste nechtěli každý týden měnit baterii např. u vodoměru v šachtě pod zemí. Sítě IoT jsou vymyšleny tak, aby terminály, které se do takové sítě připojují, pro svůj chod nepotřebovaly téměř žádnou energii. Jak toho ale dosáhnout? IoT jsou především určené pro velmi pomalý datový přenos od 250bit/s do max 50kbit/s ve velmi úzkém kanálu, velmi robustní modulací a samotná přenášená zpráva má jen velmi omezenou datovou délku, většinou pár desítek bytů. Max. vf výkon je pouhých 25mW. Zprávy se z čidla odesílají jen jednou za čas, např. jednou za 10min a po zbytek doby elektronika spokojeně spí při odběrech pár uA. A zde je tímto právě dosažena veliká úspora elektrické energie, která je až tak nízká, že se baterie klidně dříve samy rozpadnou vlastní chemickou reakcí, než je vybije např. čidlo zaparkovaného auta, které je zabetonované pod parkovacím stáním. Běžně se udává výdrž baterie více než 10let. Jak jsem již nakousnul, čidla se umistují i na taková místa, jako do silnice nebo do vodoměrné šachty. Jak je tedy možné, že se signál při tak malém výkonu a v pásmu 868MHz dostane ke gateway? No to je právě způsobeno ektrémně nízkou přenosovou rychlostí ve velmi úzkém pásmu a robustní dvoustavovou fázovou modulací. Praktická citlivost se pohybuje až na hranici -160dB rssi, kdy zpráva ještě „proleze“. Není vyjímkou, že se čidlo „dopískne“ na 30km vzdálenou gateway.

Proč jsem tedy vlastně stavěl GW? Inu, v naší zemi, a podobné je to i jinde, je několik velkých komerčních provozovatelů IoT sítí. Ti největší jsou SigFox (T-Mobile), ČRa má svou LoRa síť, a také zvláště na jihu Čech známý Starnet. Jak jsem již poznamenal, jedná se o komerční sítě a připojení je do nich tedy za poplatek. Ten sice není vysoký, ale když si s touto technologií „chcete hrát“ a do budoucna zvažujete několik i třeba desítky čidel, penízky začnou naskakovat a už to nemusí být tak legrační. Objevil jsem však síť s názvem The Things Network (TTN), která je celosvětově stavěna a provozována dobrovolníky a jak již tušíte, přístup do ní je zcela zdarma. Ne jen pro provozovatele, ale jednoduše pro všechny. Tato síť má také díky koncepci jeden obrovký bonus. Funguje po celém světě stejně, takže je zde celosvětový roaming. Jelikož v době, kdy jsem se o IoT a síť TTN začal zajímat, byla nejbližší gateway v Plzni, nezbylo mi nic jiného, než si takovou GW postavit sám. Na takovou GW není potřeba mnoho. Postačí malé raspberry zero (asi 300kč), LoRa shield Dragino, případně jen samotný LoRa modul (asi 400kč), internet a anténa. Pro mé hraní by stačila malinká „indoorová“ anténa, která se dodává k modulu, ale když už stavíte gateway v místě, kde není žádné jiné pokrytí, byla by dobrá zisková anténa na střeše a okolí kvalitně pokrýt. Protože jsem chtěl zachovat nízké náklady, nechtělo se mi anténu kupovat a tak jsem ji vyrobil. Pro mou GW jsem vybral kolineární omni anténu vyrobenou z měděného 2,5mm2 drátu vypreparovaného ze zbytku CYKY kabelu zasunutého do kousku vodovodní trubky. Bylo třeba vyřešit uchycení. V práci nám zbyl držák LTE antény huawei, který se zdál být vhodný k mému použití. Musel jsem však vyřešit „mezikus“, do kterého se zasune zmíněná vodovodní trubka s anténou, ze spodu zakončená N konektorem a tento pak připevnit k držáku. Perfetktně k tomu posloužila 3D tiskárna. V mém oblíbeném modelovacím softwaru DesignSpark mechanical, který je mimochodem zcela zdarma a v češtině, jsem vymodeloval mezikus a vytiskl z materiálu PET. Vše na sebe perfetkně pasuje a anténa bezvadně ladí. Měla by mít něco okolo 6dB zisku, což je perfektní.

Samotná instalace softwaru již byla brnkačka. Trochu jsem se potrápil s automatickým spouštěním aplikace po startu systému raspbian, ale nakonec jsem zjistil, kde jsem dělal chybu, klasicky jsem se plácnul do čela a bylo hotovo. Ihned po registraci do sítě The Things Network se k mému údivu začaly v logu zobrazovat zprávy, které GW zachytila a odeslala na server. Tyto zprávy jsou samozřejmě šifrované, takže jedinné, co vidím, je síla signálu, ID terminálu a délka zprávy v bytech. Samotná zpráva je směs rozsypaného čaje. Nicméně je vidět, že GW funguje od prvního zapnutí.

Teď nastane druhá fáze mého snažení a to je samotné ladění věciček, které chci do IoT připojit. Pro začátek mám v plánu čtení elektroměru, plynoměru, vodoměru a „tajný alarm“ do „tajné věci“ 😉

GW je prozatím schopna pracovat na jednom kanálu, tj. 868.100MHz a nepodporuje tzv. rozprostřený příjem (i vysílání). Pokud se využití osvědčí, LoRa modul vyměním za ten „plnohodnotný“.

73! Jirka OK1HJT

• https://cs.wikipedia.org/wiki/The_Things_Network
• https://www.thethingsnetwork.org/
• https://sigfox.cz/cs
• https://www.starnet.cz/iot/
• https://www.cra.cz/objevte-svet-iot
• http://wireless.ictp.it/school_2018/Slides/Luka/Collinear868MHzLoRaantenna.PDF
• https://www.rs-online.com/designspark/mechanical-software