IoT mit LoRaWAN
und NodeRed

Frank Pommerening

• Senior - Softwareentwickler
• Consultant
• Trainer

IoT

Überblick

IoT

• Vernetzung von Maschinen, Anlagen und Geräten mit und über das Internet
• Betriff IoT geht auf Kevin Ashton (1999) zurück
• Anfangs primär Sensoren - heute auch Aktoren und Voice-Assistenten
• meist drahtlos verbunden - direkt oder per Gateway
• Anforderungen: klein, sparsam (Energie), günstig und einfach einzurichten
• Sensoren batteriegetrieben z. T. abgelegen stationiert
• Dienstleistungen auch als SaaS

Bandbreite und Reichweite

Short Range

Bandbreite und Reichweite

Cellular

Bandbreite und Reichweite

Long Range

LoRa

Überblick

Überblick

• Standard entwickelt und patentiert durch Cycleo of Grenobl
  2012 gekauft von Semtech (Monopol für Chips)
• Modulationstechnik Chirp Spread Spectrum (CSS)
  • hohe Reichweite: Stadt 2-5km / Land >10km
  • Stabilität gegenüber Störungen
• Geringer Stromverbrauch
• Datenrate 0,3 - 50 kbps

Frequenzen und Regulierung

• 868 MHz (EU)
• 915 MHz (Nordamerika, Australien ...)
• 433 MHz (EU, Afrika, Asien, Australien ...)

• Babyphones, Garagentüröffnern ...
• 70-Zentimeter-Band Amateurfunk
• LTE 800 MHz Band (Uplink 832-862 Mhz)

Endnodes

• Physische Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte
• LoRa-Chip für die Übertragung
• Mikroprozessor für die Steuerung (z.B. ESP 32)

Gateways

• Basisstation für Umsetzung von LoRa nach IP
• Mono- oder Multiradio (8 Empfangs- und Sendeeinheiten)
• Intranet / Internetverbindung mit Kabel, DSL und Mobilfunk
• meist stationäre Stromversorgung

LoRaWAN

Überblick

Anwendungsstack

• Open Source - basiert auf Funkstandard LoRa
• Gateway: Chirpstack , The Things Stack
• Endnodes - meiste nur Teile des Standards
  • Board-Hersteller: Heltec
  • Projekte: Paxcounter

LoRa Alliance

• Gegründet März 2015
• offener, gemeinnütziger Verein
• über 500 Mitglieder (Auswahl): Bosch, IBM, Semtech, HP, CISCO, Amazon
• nur begrenzten Einfluss der einzelnen Mitglieder
• Mission: Entwicklung und Förderung der LoRaWAN Technologie
  und dessen Ökosystem für ein massives IoT
• Spezifikationen: Network Protocol, Backend Interfaces, Regional Parameters
• Zertifizierung von Produkten um Interoperabiltät zu gewährleisten

LoRaWAN-Klassen

Klasse A (Baseline)

• End-Node sendet getriggert z. B. durch Timer seine Daten
  an das Gateway / dem Network Server (Uplink)
• Nach dem Senden kurze Phase für Datenempfang (Downlink)
• Sonstige Zeit ist End-Node im Schlafmodus
• Prozess immer durch End-Node ausgelöst
• Hohe Energieeffizient - hohe Latenz

Klasse B (Beacon)

• Ähnlich Klasse A - zusätzlich Downlink ausgelöst durch Beacon
• Gateway versendet zyklisch kleine Datenpakete (Beacon)
  zur Synchronisation und Zuteilung eines Empfangsslots
• Energieeffizient - berechenbare Latenz für Downlink

Klasse C (Continuous)

• End-Node besitzt meist stationäre Energieversorgung
• Kontinuierlicher Datenempfang vom Gateway / Network Server
• Unterberechung Empfang nur für Datenversand
• kurze Latenz für Downlink - ungeeignet für Batteriebetrieb

Netzarchitektur

Datenformate

LoRaWAN

Sicherheit

Überblick

• Netzwerk: sichert die Authentizität der End-Node im Netzwerk
  (Beziehung zwischen End-Node und Network Server)
• Application: Verschlüsselung die Nutzdaten (Beziehung zwischen End-Node (Customer Application) und Application Server (Customer Server Logic)

Aktivierung

Over-The-Air Activation (OTAA)

• End-Node und Join-Server besitzen AppKey und NwkKey
• Session-Schlüssel (AppSKey, SNwkSIntKey, FNwkSIntKey, NwkSEncKey) werden dynamisch durch einen Prozess und AES-Ableitungen erzeugt
• Erneuerung der Session-Schlüssel erforderlich - ReJoin

Activation By Personalization (ABP)

• Session-Schlüssel sind statisch definiert und ausgetausch
• Verwendung bei begrenzten Ressourcen
• Weniger Sicherheit als bei OTAA

The Things Network (TTN)

Überblick

Übersicht

• Gegründet 2015 von Wienke Giezeman und Johan Stokking
• Initiative zum Aufbau und Betrieb eines LoRaWAN-Netzwerks
  von und für die Community
• verwendete Software ist Open Source
• Verstaltet größte LoRaWAN-Konferenz (The Things Conference)
• Organisation in lokalen Communities z.B. TTN Mitteldeutschland
• Firmen wie Deutsche Bahn oder Rabobank unterstützen
• > 10000 Gateways sind in 150 Ländern aktiv

Node-RED

Überblick

Überblick

• seit Ende 2013 von IBM als Open Source entwickelt
• 2016 Übergabe an JS-Foundation
• Laufzeitumgebung, grafischer Editor und Dashboard für IoT Applikationen
• Verwendung JavaScipt-Plattform Node.js (Google Chrome V8 Engine)
• Funktionsblöcke (Nodes) erlauben Entwicklung mit wenig Programmierung
• Erweiterung werden per NPM (Node Package Manager) bereitgestellt

Installation

NPM - Windows

 node --version

npm install -g --unsafe-perm node-red

Docker

docker run -it -p 1880:1880 --name nodered-terminal nodered/node-red

docker run -d -p 1880:1880 --name nodered-srv nodered/node-red

docker volume create --name nodered-data
docker run -d -p 1880:1880 --name nodered-srv -v nodered-data:/data nodered/node-red

Sicherheit

Reverse Proxy

Intern

• Benutzername / Kennwort
• OAuth / OpenID

Node-RED

Flow-Entwicklung

Überblick

• Entwicklung erfolgt primär im grafischen webbasierten Editor

Konzepte

Knoten (Node)

Konfigurationsknoten (Configuration node)

Flow

Kontext

• Node: Daten nur für diesen Knoten zugreifbar
• Flow: Daten sind für alle Knoten des Flows zugreifbar
• Global: Daten sind für alle Knoten zugreifbar

Nachrichten

Subflow

Verknüpfungen (Wire)

Beispiel

• Erzeugung eines aktuellen Zeitstempels als Eingabe
• Umwandlung in ein Datum und Verknüpfung mit Begrüßung
• Ausgabe des payload in die Debug-Konsole

var scr = msg.payload;
var dest = {
    "Message" : "Hallo Meetup " + new Date(scr).toLocaleString()
};
msg.payload = dest
return  msg;

Node-RED

Beispiel Paxcounter

Übersicht

Quelldaten

{
        "app_id": "fp_ttn_demo_paxcounter",
        "dev_id": "02195c87b3d2",
        "hardware_serial": "004FFED2BB154B9D",
        "port": 1,
        "counter": 7,
        "payload_raw": "AAA=",
        "metadata": {
          "time": "2020-05-24T08:48:39.350792811Z",
          "frequency": 868.3,
          "modulation": "LORA",
          "data_rate": "SF7BW125",
          "airtime": 46336000,
          "coding_rate": "4/5",
          "gateways": [
            {
              "gtw_id": "eui-fcc23dfffe0a7e7c",
              "timestamp": 1985768635,
              "time": "2020-05-24T08:48:39.331027Z",
              "channel": 1,
              "rssi": -81,
              "snr": 8.8,
              "rf_chain": 0
            }
          ]
        }
      }
      

Base64 Konvertierung

Umwandlung Datarate

var data_rate = msg.payload.metadata.data_rate;
if(data_rate.length > 4)
{
   msg.payload.metadata.bandwidth = parseInt(data_rate.substr(data_rate.length-3,3))
   msg.payload.metadata.sf = parseInt(data_rate.substr(2, data_rate.length-7))
}
return msg; 

InfluxDB Konvertierung (Nutzdaten)

var data = msg.payload.payload_raw;
      var influxbatch = [
          {
               wlan : data.readInt16LE(0),
                time: new Date(msg.payload.metadata.time)
          },
          {
              Device : msg.payload.dev_id
          }
      ];
msg.payload = influxbatch;
return msg;

InfluxDB Konvertierung (LoRa)

var influxbatches = [];
var gateways = msg.payload.metadata.gateways;
for (var i = 0; i < gateways.length; i++)
{
  var gateway = gateways[i];
  influxbatches.push([
      {
        Channel : gateway.channel,
        RSSI : gateway.rssi,
        SNR : gateway.snr,
        Frequency : msg.payload.metadata.frequency,
        Airtime : msg.payload.metadata.airtime,
        SF : msg.payload.metadata.sf,
        Bandwidth : msg.payload.metadata.bandwidth,
        time: new Date(gateway.time)
      },
      {
        Gateway : gateway.gtw_id,
        Device : msg.payload.dev_id
      }]);
}
msg.payload = influxbatches;
return msg;

Flow

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit