RAK 831 LoRaゲートウェイをRaspberry Pi 3に導入するステップバイステップガイド

このプロジェクトでは、RAK 831 LoRaゲートウェイモジュールをWi-Fiをバックホールとして稼働させるために必要なすべてのステップを説明します。

ストーリー

はじめに

このステップバイステップガイドは、RAK Wirelessの優れたRAK831 LoRa無線フロントエンドモジュールを使用して、独自のLoRaゲートウェイを開発したい開発者を対象としています。このガイドは、Raspberry Piエコシステム、ハードウェア、関連するDebian OSに関する基本的な知識があることを前提としています。また、Raspberry Piに搭載されているGPIOとペリフェラルの基本知識も必要です。さあ、始めましょう：

LoRaとは？

LoRa Alliance™ Technology. LoRaWAN™は、地域、国家、グローバルなネットワークにおいて、ワイヤレスでバッテリー駆動の「モノ」を対象とした低電力広域ネットワーク（LPWAN）仕様です。LoRaWANは、IoTの主要要件である安全な双方向通信、モビリティ、ローカライゼーションサービスをターゲットとしています。

courtesy Semtech

上図はLoRa無線アーキテクチャの各部分を示しています。重要な部分を簡単に説明します：

LoRaテクノロジーとLoRaWANプロトコルの主な特徴

・GEOLOCATION：GPSフリーの低電力トラッキングアプリケーションを実現

・LOW COST：インフラ投資、運用費、エンドノードセンサーの3つの面でコスト削減

・STANDARDIZED：グローバルな相互運用性の向上により、LoRaWANベースのネットワークとIoTアプリケーションの採用と展開を加速

・LOW POWER：プロトコルが低消費電力向けに設計され、バッテリー寿命を最大20年まで延長

・LONG RANGE：単一基地局で密集都市部/屋内への深い浸透、さらに農村地域を最大30マイルまでカバー

・SECURE：エンドツーエンドのAES128暗号化を内蔵

・HIGH CAPACITY：基地局あたり数百万メッセージをサポートし、多くの顧客にサービスを提供する公共ネットワーク運用者に最適

RAK 831はLoRa無線フロントエンドであり、着信LoRaデータパケットを受信してアグリゲーター管理ソフトウェア/ハードウェアホストに転送します。ホストボードのリクエストに基づいてLoRaデータパケットを送信することもできます。ここではRaspberry Pi 3がホストボードとしてRAK 831フロントエンドを制御します。

バックホールの選択

バックホールとは？ バックホールとは、Raspberry Piをインターネットに接続する方法を指します。このガイドではWi-Fiをバックホールとして使用しますが、Ethernetや3G/4Gも使用可能です。ゲートウェイの近くにEthernetがある場合は、Wi-Fiや3G/4Gよりも優先してください。これは、エンクロージャー内に追加の無線信号があるとノイズが発生するためです。ソフトウェアはノイズ環境を処理できますが、ノイズが少ないほど良好です。この選択をPower-over-Ethernetと組み合わせれば、ゲートウェイまでの配線を最小限に抑えられます。

一方、Wi-Fiを選択する場合は、外部アンテナ付きのドングルを使用し、アンテナをエンクロージャー外に出して内部ノイズを減らしてください。

ハードウェアのセットアップ：

接続と電源投入の前に、Raspberry PiとRAK 831モジュールで以下の設定を行います：

RASPBERRY PI

1) Raspberry Pi 3ボードを用意し、Raspbianソフトウェアが入った8GB microSDカードを準備。NOOBSプリロード済みSDカードを購入しても可。OSのフラッシュ方法はこちら： https://www.raspberrypi.org/learning/hardware-guide/

2) Raspberry Piを5V 2A電源に接続。これは非常に重要です。 LoRaモジュールはアクティブな無線トランザクション中にピーク700mAを消費する可能性があるため、Raspberry Piを駆動するための優れた電源アダプターを用意してください。

raspberry pi v3

RAK 831:

1) ボードに電源を入れる前に、キットに同梱されていたアンテナを取り出し、アンテナスクリューターミナルに接続。これは必須です。

Raspberry Pi v3, RAK 831 module and a LoRa Node

接続詳細：

RAK831モジュールとRaspberry Piの接続方法を示すテーブル：

rpi v3 to rak 831 pin connection

The rak 831 silk screen map to the rak 831 pins.

rak 831 silk screen map to the rak 831 pins

Raspberry Piのピンレイアウトについては、https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio/ を参照してください。

注意点：

• リセットピンはRaspberry Pi 3の任意のGPIOに接続可能。

• RAK 831ボードを損傷しないよう、電源ピンを正しく接続することが不可欠。

SPIの有効化：

SPIペリフェラルはデフォルトでオフです。有効化するには以下を実行：

• sudo raspi-config を実行。

• 下矢印で 9 Advanced Options を選択。

• 下矢印で A6 SPI を選択。

• SPI を有効化するか尋ねられたら yes を選択。

• カーネルモジュールの自動ロードについても yes を選択。

• 右矢印で ボタンを選択。

• 再起動を尋ねられたら yes を選択。

Raspi-config for SPI

システムが再起動します。再起動後、ログインして以下のコマンドを入力：

>ls /dev/*spi*

Piは以下で応答するはず：

/dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1

これらはチップイネーブルピン0と1のSPIデバイスを表します。これらのピンはPi内部でハードウェア的に配線されており、通常は最大2つのペリフェラルをサポートしますが、デージーチェーンで単一のチップイネーブル信号を共有するケースもあります。

ボードへの電源供給：

無線プロジェクトでは一般的に、ホストボードが供給ピンで提供できる電力以上を必要とします。以下の2つのスキームで、RAK 831とRaspberry Pi 3への給電方法を列挙します。

1) Raspberry Piから5Vレールを供給

2) Raspberry PiとRAK831の5Vレールを別々に供給

ソフトウェアインストール：

Raspberry Piで以下のステップを実行して必須ソフトウェアをインストール：

• SPIを有効化：

raspi-configユーティリティでSPIを有効化（[5] Interfacing options -> P4 SPI）し、ファイルシステムも拡張（[7] Advanced options -> A1 Expand filesystem）：

$ sudo raspi-config

• gitがインストール済みか確認

Sudo apt-get update
Sudo apt-get upgrade
Sudo apt-get install git

• Raspberry PiのWi-Fi接続を管理

• Wi-Fi認証情報を設定（詳細はこちら）

$ sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

ファイル末尾に以下のブロックを追加し、SSIDとパスワードを自分のネットワークに合わせる：

network={
ssid=“The_SSID_of_your_wifi”
psk=“Your_wifi_password”
}

• インストーラーをクローンしてインストール開始

$ git clone -b spi https://github.com/ttn-zh/ic880a-gateway.git ~/ic880a-gateway
$cd ~/ic880a-gateway
$ sudo ./install.sh spi

• インストールステップでリモート設定を有効化するか尋ねられます。'y' または 'yes' と入力して継続。コマンドラインインストールの開始時にゲートウェイEUIが表示されます。必ずメモしてください！

• リモート設定オプションを使用する場合、Gateway Remote Configリポジトリ（https://github.com/ttn-zh/gateway-remote-config）に、ゲートウェイEUIをファイル名としたJSONファイル（例：B827EBFFFE7B80CD.json）を作成し、適切な設定でコミット。フォークしたリポジトリでプルリクエストをマスターリポジトリに送信すれば、翌日にはリポジトリに反映されます。サンプルJSONは以下：

{
“gateway_conf”: {
“gateway_ID”: “インストール時のコンソール出力でメモしたID”,
“servers”: [
{
“server_address”: “接続したいルーター”,
“serv_port_up”: 1700,
“serv_port_down”: 1700,
“serv_enabled”: true
}
],
“ref_latitude”: rak 831ゲートウェイの緯度,
“ref_longitude”: rak 831ゲートウェイの経度,
“ref_altitude”: 40,
“contact_email”: “ゲートウェイ所有者の連絡先メール”,
“description”: “簡単な説明”
}
}

注：

有効なルーターの一覧はこちら：https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Backend/Connect/Gateway

• デフォルトでは、インストーラーがRaspberry Piのホスト名をttn-gatewayに変更します（ネットワーク内の他のRaspberry Piとの衝突防止）。非リモート設定モードでは上書き可能。

• 万歳！あなたのゲートウェイは今動作しているはずです。翌日にJSONファイルがRPi3に正しくダウンロードされるよう、翌日にゲートウェイを再起動してください。

• global_config.jsonは以下に従って調整が必要：

https://github.com/TheThingsNetwork/gateway-conf/blob/master/US-global_conf.json

mp_pkt_fwdを古いpolyパケットフォワーダーの代わりに使用したい場合は、こちらでインストール手順を参照：

https://github.com/kersing/packet_forwarder/tree/master/mp_pkt_fwd. また、プロジェクトのルートにあるglobal_conf..jsonファイルの該当セクション（後述の重要セクション）を編集し、コンパイル後にbinフォルダにコピーしてください。

global_conf.jsonで設定可能な主な項目：

global_conf.jsonファイルは、インストールスクリプト実行後、プロジェクトディレクトリのベースから ./bin/global_conf.json にあります。特定のゲートウェイ設定に合わせて編集したい主な項目：

1) “radio_0” または “radio_1” の設定、特に周波数パラメータと最小/最大周波数スイープパラメータ。

2) “gateway_conf” セクション。特にゲートウェイIDまたはゲートウェイのEUI。

3) gateway_confオブジェクト内のサーバーアップ/ダウンポートと、TTNサーバーアドレスまたは独自アプリケーションサーバーのアドレス（利用可能な場合）。

ボードのリセット：

Raspberry Piを起動するたびに、接続されたRAK831 LoRaモジュールをリセットするのが良い習慣です。2つの方法があります：

• シェルスクリプト経由：

LoRaドライバーがハードウェアにアクセスする前にRAK831をリセットする小さなシェルスクリプトを作成できます。内容は以下の例（Raspberry PiのGPIO 17（ピン11）がRAK831のリセットピンに接続されていると仮定）：

#!/bin/bash
echo “17” > /sys/class/gpio/export
echo “out” > /sys/class/gpio/gpio17/direction
echo “1” > /sys/class/gpio/gpio17/value
sleep 5
echo “0” > /sys/class/gpio/gpio17/value
sleep 1
echo “0” > /sys/class/gpio/gpio17/value

これらの行を「rak831_reset.sh」というファイルに保存。ユーザーは毎回ブート後にこのスクリプトを1回呼び出し、コンセントレーターICをクリーンな状態にする必要があります。

• WiringPi経由：

ホストシステムがRaspberry Piの場合、GPIOピンにアクセスするために「wiringPi」ライブラリを使用した小さなCツールを書けます。ライブラリは https://wiringpi.com からダウンロード可能。インストールと使用方法は同サイトを参照。RAK831_reset.cの内容例：

#include <wiringPi.h>
#include <unistd.h>
#define GPIO_RESET_PIN 0 // wiringPiマッピング参照!
int main() {
wiringPiSetup();
pinMode(GPIO_RESET_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(GPIO_RESET_PIN, HIGH);
sleep(5);
digitalWrite(GPIO_RESET_PIN, LOW);
return;
}

ユーザーは毎回ブート後にこのツールを1回呼び出し、コンセントレーターICをクリーンな状態にする必要があります。

gcc -Wall -o blink blink.c -lwiringPi
sudo ./blink

ゲートウェイをTTNネットワークに登録：

ノードがデータをクラウドに送信できるようにするため、TheThingsNetworkはLoRaノード経由で送信されたデータを解析・保存するクラウドサービスを提供します。

Read More Detail :Getting started with the RAK 831 Lora Gateway and RPi3